Upregulation of chitinase and β-1,3-glucanase enzymes and modulation of biochemical defense response by fungal endophytes against Rhizoctonia solani in cotton

El algodón es más que un simple tejido; es un motor agrícola global, con la India cultivando por sí sola casi la mitad de los campos de algodón del mundo. Sin embargo, este cultivo vital enfrenta a un enemigo silencioso y subterráneo. Un hongo microscópico llamado Rhizoctonia solani vive en el suelo, esperando para atacar a las jóvenes plántulas de algodón. Este causa una condición conocida como marchitamiento o "damping-off", donde los tallos de las plántulas se pudren en la base, provocando que colapsen y mueran antes incluso de que logren establecerse. Durante décadas, los agricultores han combatido a este enemigo con fungicidas químicos, pero estos productos pueden dañar el suelo y los microbios beneficiosos que viven en él, mientras que el propio hongo puede, eventualmente, aprender a resistirlos. La naturaleza, sin embargo, ofrece un tipo diferente de solución. Ocultos dentro de los tejidos de las plantas sanas se encuentran hongos microscópicos llamados endófitos. Estos no son invasores; son residentes permanentes y de naturaleza inofensiva que viven dentro de la planta sin causar enfermedades. En muchos casos, estos huéspedes internos actúan como guardianes, produciendo compuestos que repelen plagas o activando el propio sistema inmunológico de la planta para que esté lista ante un ataque.

Un equipo de investigadores del Instituto Central de Investigación del Algodón en Nagpur, India, se propuso investigar si podían utilizar estos guardianes internos para proteger al algodón del letal hongo del suelo. Se centraron en tres tipos específicos de endófitos fúngicos que habían encontrado previamente viviendo dentro de plantas de algodón sanas. Los científicos querían saber si podían despertar las defensas naturales de la planta de algodón antes de que el enemigo llegara. Para lograr esto, tomaron semillas de algodón y las sumergieron en un líquido que contenía esporas de estos hongos beneficiosos, un proceso conocido como bioprimado de semillas. Este paso esencialmente les dio una ventaja inicial a las semillas, recubriéndolas con sus nuevos aliados microscópicos. Luego, plantaron estas semillas tratadas en suelo que había sido infectado con el hongo causante de la enfermedad, junto con semillas que no habían recibido tratamiento alguno. El objetivo era observar cómo se desempeñaban las plantas tratadas frente a la infección y comprender exactamente qué sucedía dentro de las células vegetales para hacerlas más fuertes.

Los resultados demostraron que la estrategia funcionó de manera notable. Las semillas tratadas con los hongos beneficiosos crecieron como plántulas que tenían muchas más probabilidades de sobrevivir al ataque que las no tratadas. De hecho, las semillas tratadas con un endófito específico, Daldinia eschscholtzii, mostraron las tasas de germinación más altas, con un 91 por ciento de ellas brotando con éxito incluso en presencia de la enfermedad, en comparación con solo el 67 por ciento de las semillas no tratadas en suelo infectado. Pero la historia va más allá de las tasas de supervivencia. Los investigadores observaron dentro de los tejidos de las plantas supervivientes para ver qué cambios bioquímicos habían ocurrido. Descubrieron que las plantas tratadas estaban esencialmente en un estado de alerta máxima. Habían acumulado niveles significativamente más altos de proteínas y azúcares, que sirven como los bloques de construcción y el combustible para la maquinaria de defensa de la planta. Las plantas también produjeron muchos más compuestos fenólicos, que actúan como antisépticos naturales y ayudan a fortalecer las paredes celulares de la planta, haciendo que sea más difícil para el hongo invasor penetrar.

El estudio también midió la actividad de enzimas específicas, que son las herramientas que la planta utiliza para contraatacar. Las plantas tratadas mostraron un aumento en la actividad antioxidante, que ayuda a neutralizar los químicos dañinos que el hongo de la enfermedad libera para dañar la planta. Una enzima, llamada catalasa, que ayuda a descomponer los subproductos tóxicos de la propia respuesta inmunitaria de la planta, fue particularmente activa en las plantas tratadas con Daldinia eschscholtzii. Otra enzima, la peroxidasa, que está involucrada en el endurecimiento de las paredes celulares de la planta, también estuvo muy activa, especialmente en las plantas tratadas con un endófito diferente llamado Trichoderma sulphureum. Quizás lo más revelador fue la evidencia genética. Los investigadores examinaron los genes responsables de producir quitinasa y beta-1,3-glucanasa, dos armas poderosas que las plantas utilizan para desmantelar las paredes celulares fúngicas. En las plantas tratadas con los hongos beneficiosos, las instrucciones para fabricar estas armas se activaron con una velocidad e intensidad increíbles. Dentro de los quince días posteriores a la siembra, la actividad del gen de la quitinasa había aumentado hasta veintiséis veces en las plantas tratadas con Daldinia eschscholtzii, mientras que el gen de la beta-1,3-glucanasa mostró un incremento de nueve veces. Esto sugiere que los hongos beneficiosos no solo lucharon directamente contra la enfermedad, sino que enseñaron a la planta de algodón a luchar por sí misma.

Los investigadores observaron que esta respuesta de defensa no fue un evento único, sino un esfuerzo coordinado que evolucionó con el tiempo. Mientras que las señales genéticas fueron más fuertes en los primeros días de la vida de la planta, las defensas bioquímicas, como la acumulación de azúcares y proteínas, continuaron acumulándose a medida que las plantas crecían. Esto indica que los hongos beneficiosos prepararon a la planta para estar lista ante un ataque de inmediato, y luego ayudaron a mantener esa defensa a medida que la planta maduraba. El estudio no encontró que los hongos beneficiosos eliminaran por completo al hongo de la enfermedad, sino que redujeron significamente el daño que este podía causar. Las plantas tratadas con los endófitos no eran inmunes, pero fueron lo suficientemente resilientes como para sobrevivir y crecer donde las plantas no tratadas habrían perecido. Este enfoque ofrece una alternativa prometedora a los aerosoles químicos, basándose en la asociación natural entre las plantas y la vida microscópica que albergan. Simplemente sumergiendo las semillas en una solución de estos hongos útiles, los agricultores podrían potencialmente proteger sus cultivos mediante un método que es tanto efectivo como respetuoso con el medio ambiente, convirtiendo a los aliados internos de la planta de algodón en su primera línea de defensa contra un enemigo persistente y destructivo.