Estrigolactona - Strigolactone
Las estrigolactonas son un grupo de compuestos químicos producidos por las raíces de una planta. Debido a su mecanismo de acción, estas moléculas se han clasificado como hormonas vegetales o fitohormonas. Hasta ahora, se ha identificado que las estrigolactonas son responsables de tres procesos fisiológicos diferentes: en primer lugar, promueven la germinación de organismos parásitos que crecen en las raíces de la planta huésped, como Striga lutea y otras plantas del género Striga . En segundo lugar, las estrigolactonas son fundamentales para el reconocimiento de la planta por hongos simbióticos , especialmente hongos micorrízicos arbusculares , porque establecen una asociación mutualista con estas plantas y aportan fosfato y otros nutrientes al suelo. En tercer lugar, las estrigolactonas se han identificado como hormonas inhibidoras de la ramificación en plantas; cuando están presentes, estos compuestos previenen el crecimiento excesivo de yemas en los terminales del tallo, deteniendo el mecanismo de ramificación en las plantas.
Las estrigolactonas comprenden un grupo diverso, pero todas tienen una estructura química común central , como se muestra en la imagen de la derecha. La estructura se basa en una lactona tricíclica unida a un hidroximetilbutenólido; el primero se representa en la figura como la parte ABC, mientras que el segundo es la parte D de la molécula. Es importante señalar que la mayoría de las estrigolactonas presentan variaciones en la parte ABC, pero el anillo D es bastante constante en las diferentes especies, lo que llevó a los investigadores a sospechar que la actividad biológica se basa en esta parte de la molécula. Diferentes estudios han demostrado que la actividad de las moléculas se pierde cuando se modifica la sección CD de las moléculas.
Dado que las estrigolactonas están involucradas en la vía de señalización requerida para la germinación de especies parasitarias (como Striga sp.), Han sido un objetivo propuesto para controlar las plagas y el crecimiento excesivo de estos organismos parásitos . El uso de una molécula similar a las estrigolactonas podría ser la clave para diseñar un mecanismo químico y biológico para detener la colonización de la raíz de avplant por plantas parásitas.
Descubrimiento
Germinación de planta parásita
Las estrigolactonas se aislaron por primera vez en 1966 de plantas de algodón , específicamente de las raíces. Sin embargo, su papel en la germinación de otros organismos no se determinó hasta más tarde. Estudios previos con Striga lutea ya habían demostrado que los extractos de raíces de las plantas hospedantes eran necesarios para que la semilla parásita comenzara a germinar, lo que hizo evidente que una sustancia producida en las raíces estaba estimulando este proceso. El aislamiento de estrigolactonas condujo a una serie de pruebas que demostraron que este compuesto era la molécula necesaria para inducir la germinación de las especies de Striga . Posteriormente se comprobó que compuestos similares producían el mismo efecto: sorgolactona y alectrol, ambos presentaban el grupo característico de las lactonas , por lo que se clasificaron como estrigolactonas. Para inducir la germinación de plantas parásitas, las estrigolactonas solo necesitaban estar presentes en cantidades mínimas, del orden de 5 partes por millón.
Disparar la inhibición de la hormona ramificada
El papel de las estrigolactonas como hormona inhibidora de la ramificación se descubrió gracias al uso de un nuevo conjunto de plantas mutantes . Estos mutantes presentaron un crecimiento excesivo en las yemas axilares, lo que indujo a su tallo terminal a comenzar a ramificarse de manera anormal. Anteriormente, se pensaba que las citoquininas eran la única molécula involucrada en la regulación de la ramificación del tallo, pero estos mutantes presentaban una producción y señalización normales de citoquininas, lo que llevó a la conclusión de que otra sustancia estaba actuando sobre las yemas axilares . Diferentes pruebas que consistieron en insertar parte de las plantas mutantes en especímenes silvestres (y viceversa), pudieron demostrar que los mutantes no eran capaces de reconocer una molécula señal proveniente de las raíces y la parte inferior de la planta, o no capaz de producir las moléculas necesarias para inhibir la ramificación. Esta molécula, que participaba en la regulación de la ramificación, se identificó más tarde como una estrigolactona. La conclusión fue que, en presencia de estrigolactonas, se evitaría que la planta crezca demasiado y desarrolle ramas excesivas, pero cuando no está presente, la yema axilar comenzará a inducir una ramificación anormal.
Química
Propiedades
Aunque las estrigolactonas varían en algunos de sus grupos funcionales, su punto de fusión suele encontrarse siempre entre 200 y 202 grados centígrados. La descomposición de la molécula se produce después de alcanzar los 195 ° C. Son muy solubles en disolventes polares, como la acetona; soluble en benceno y casi insoluble en hexano .
Estructuras químicas
Algunos ejemplos de estrigolactonas incluyen:
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| (+) - Strigol | (+) - Acetato de estrigilo |
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| (+) - Orobanchol | (+) - acetato de orobanquilo |
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| (+) - 5-Deoxystrigol | Sorgolactona |
Biosíntesis
Vía de los carotenoides a través de la carlactona
La ruta biosintética de las estrigolactonas no se ha dilucidado por completo, pero se han identificado diferentes pasos, incluidas las enzimas necesarias para llevar a cabo la transformación química. El primer paso es la isomerización del noveno enlace químico del -caroteno, cambiando de configuración trans a cis. Este primer paso lo lleva a cabo la enzima -caroteno isomerasa, también llamada DWARF27 o D27 para abreviar, que requería hierro como cofactor. El segundo paso es la separación química del 9-cis- -caroteno en dos compuestos diferentes: el primero es 9-cis-aldehído y el segundo es -ionona. Este segundo paso es catalizado por la desoxigenasa 7 de escisión de carotenoides ( CCD7 ). En el tercer paso, otra oxigenasa de escisión de carotenoides, llamada CCD8 (de la misma familia que CCD7), cataliza la conversión y reordenación del aldehído creado en el paso anterior en 9-cis- -apo-10 y posteriormente produce carlactona .
Aún no está claro cómo se transforma exactamente la carlactona en las diferentes estrigolactonas identificadas hasta ahora, pero varios estudios han demostrado que la carlactona es definitivamente el precursor de las estrigolactonas. Este último paso de la biosíntesis debería implicar la adición de al menos dos moléculas de oxígeno para convertir la carlactona en 5-desoxiestrigol, una estrigolactona simple, y debería requerirse más oxidación para producir otra estrigolactona más compleja. Se ha propuesto que la proteína MAX1 catalice el último paso de la biosíntesis de estrigolactonas debido a su papel en el metabolismo oxidativo en las plantas.
Papel de ABA en la biosíntesis
Tanto el ácido abscísico (ABA) como las estrigolactonas tienen un grupo común de enzimas que llevaron a cabo la síntesis de los dos compuestos, previamente se había demostrado la existencia de una correlación de las dos vías de biosíntesis, y se ha apoyado en diferentes estudios. La biosíntesis de ABA se basa en un conjunto de enzimas, llamadas 9-cis-epoxicarotenoide dyoxigenasa (NCED) . Pero, las plantas mutantes que eran defectuosas en la producción de las enzimas NCED, no solo presentaban niveles bajos de ABA, sino que también presentaban niveles bajos de estrigolactonas, específicamente en los extractos de raíces donde esta hormona se sintetiza principalmente, este hallazgo sentó las bases para La existencia de una maquinaria enzimática común. Otros experimentos que consisten en bloquear las enzimas NCED y utilizar mutantes incapaces de detectar cambios en el ABA, se utilizaron para apoyar esta teoría. Hasta el momento existe una clara correlación de ambas síntesis que está relacionada con el uso de enzimas NCED en ambas biosíntesis, pero el mecanismo exacto en el que están conectadas sigue sin estar claro.
Percepción molecular
En las plantas, las estrigolactonas son percibidas por el receptor dual / proteína hidrolasa DWARF14 (D14), un miembro de la superfamilia α / β hidrolasa . A pesar de ser consideradas hidrolasas con escasa renovación de sustrato , se requiere una tríada catalítica intacta para la función biológica de la proteína. Los estudios de dinámica molecular han sugerido que el bolsillo de unión del ligando es flexible y que la tríada catalítica juega un papel importante para la unión y el posicionamiento del ligando. Se han propuesto varios modelos (en parte competidores) para la participación de la tríada catalítica en la percepción del ligando:
- Hidrólisis de estrigolactona, lo que da como resultado que el anillo D se adhiera covalentemente a la serina del sitio activo.
- Hidrólisis de la estrigolactona, que da como resultado un anillo D libre que sirve como pegamento molecular en la entrada del receptor, mediando la interacción con otra proteína.
- Unión de estrigolactona intacta no hidrolizada que genera una superficie de la proteína DWARF14 alterada, que media la interacción con otra proteína.
- Hidrólisis de estrigolactona, que da como resultado que el anillo D se adhiera covalentemente al sitio activo histidina.
- Hidrólisis de estrigolactona, que da como resultado que el anillo D se adhiera covalentemente al sitio activo serina e histidina al mismo tiempo, induciendo un cambio conformacional de DWARF14, lo que lleva a la interacción con otra proteína.
Los resultados cinéticos han sugerido que la estrigolactona intacta desencadena una cascada de señalización tras la cual se lleva a cabo la hidrólisis como paso final para inactivar la molécula de estrigolactona.
Mecanismo de acción
Germinación de micorrizas arbusculares
Se sabe que las estrigolactonas estimulan la germinación de esporas de micorrizas arbusculares . Dado que producen este efecto a concentraciones extremadamente bajas, se ha propuesto que el mecanismo de activación debe ser una vía de señalización. Diferentes estudios con diversos tipos de hongos, han encontrado que después de la estimulación con estrigolactonas, las células fúngicas presentan una mayor cantidad de mitocondrias y un aumento en su actividad oxidativa. Debido al papel de las mitocondrias en el metabolismo oxidativo de los macronutrientes, se cree que las esporas permanecen inactivas antes de encontrar la planta huésped, y una vez que son estimuladas con estrigolactonas, la maquinaria oxidativa en la mitocondria se activa para producir la energía y los nutrientes necesarios para la germinación. de la ramificación de esporas y hongos. Los estudios con extractos de raíces apoyan esta hipótesis, y hasta ahora las estrigolactonas son las moléculas candidatas que explican mejor este aumento de la actividad mitocondrial.
Crecimiento secundario mediado por auxinas
Se ha establecido que el crecimiento secundario en la planta está regulado principalmente por la fitohormona auxina. Sin embargo, el mecanismo de secreción de auxinas está regulado al mismo tiempo por las estrigolactonas, por lo que estas últimas pueden controlar el crecimiento secundario a través de las auxinas. Cuando se aplica en las yemas terminales del tallo, la estrigolactona puede bloquear la expresión de las proteínas de transporte necesarias para mover la auxina a través de las yemas, estas proteínas se denominan PIN1. Así, no fue sorprendente que al analizar mutantes deficientes en estrigolactona, se encontró que presentaban una sobreexpresión de la proteína PIN1 , que facilita el transporte de auxina en las yemas terminales; la auxina impidió la actividad mitótica de estos brotes, deteniendo la planta para iniciar el crecimiento secundario y la ramificación. En conclusión, las plantas dependen del transporte de auxinas para el inicio o inhibición del crecimiento secundario , pero este mecanismo de transporte depende de la producción de estrigolactonas, que pueden viajar fácilmente desde el sitio de producción (raíces) hasta las yemas terminales del tallo a través del xilema.
Ecología
Interacción planta-hongos
Las estrigolactonas juegan un papel fundamental en la interacción planta-hongos. Uno de los primeros estudios realizados en Lotus japonicus ya había demostrado que los compuestos extraídos de la raíz eran necesarios para el desarrollo de hongos micorrízicos arbusculares que establecerán una relación simbiótica con la raíz de la planta. Estos mismos hallazgos fueron válidos para diferentes plantas como el maíz y el sorgo . Posteriormente se aislaron los compuestos responsables de la ramificación de los hongos arbusculares, entre los que se encuentran el 5-desoxiestrigol, el estrigol y la sorgolactona, todos ellos pertenecientes a la familia de compuestos de las estrigolactonas. El proceso de ramificación es crucial para establecer la simbiosis . Dado que esta ramificación solo ocurre después de la germinación de las esporas y el crecimiento inicial de la hifa, las estrigolactonas necesarias para la germinación deben ser secretadas por la planta y llegar a los hongos, lo que significa que las estrigolactonas también son parte del proceso de reconocimiento por parte de los hongos.
Debido a que arbuscula mychorriza puede formar asociaciones simbióticas con la mayoría de las angiospermas y muchas gimnospermas, se espera encontrar diferentes compuestos de estrigolactonas distribuidos en una gran variedad de plantas . Desafortunadamente, mientras que las estrigolactonas se encuentran supuestamente en la mayoría de las plantas, los estudios realizados con las estrigolactonas y los hongos AM hasta ahora solo han estudiado una gama muy limitada de especies de plantas, principalmente debido a la dificultad para extraer estos compuestos y a su facilidad para desintegrarse en solución .
Las estrigolactonas no solo son necesarias para el reconocimiento de la planta por los hongos , también son requeridas por el reconocimiento de los hongos por la planta. El mecanismo de reconocimiento de hongos ocurre de manera similar al reconocimiento de bacterias como Rhizobia sp. De hecho, se ha propuesto que el mecanismo de reconocimiento de bacterias evolucionó a partir del mecanismo de reconocimiento de hongos, porque se sabe que este último es más primitivo y antiguo. Al igual que las bacterias utilizan factores Nod , los hongos utilizan un conjunto de moléculas denominadas factor Myc. Estos productos fúngicos pueden ser reconocidos por diferentes plantas y no están diseñados para ser específicos de una planta. Cuando estos factores Myc son reconocidos por la raíz de la planta, estimulan la expresión de diferentes genes implicados en el inicio de la asociación simbiótica. Sin embargo, la secreción del factor Myc por parte de los hongos ocurre solo después de haber sido estimuladas previamente por estrigolactonas de la planta, demostrando el papel necesario de estos compuestos tanto para el reconocimiento (de hongos como de planta). También se ha reportado que las estrigolactonas producen otros cambios en las células fúngicas, como un aumento en la concentración de calcio intracelular y un aumento en los lipochitoolisacáridos (LCOs), este último ha demostrado ser uno de los factores Myc producidos por los hongos por su acción. reconocimiento por parte de la planta.
Una de las funciones principales de los hongos arbusculares contenidos en asociación simbiótica con las plantas es proporcionar nutrientes del suelo a las plantas, especialmente fosfato . Por lo tanto, cuando el fosfato en la zona de agotamiento es realmente bajo, la planta depende principalmente de los hongos AM para satisfacer sus demandas de fosfato. Los estudios con plantas de tomate han demostrado que, cuando las plantas sufren un déficit de fosfato, producen una mayor cantidad de estrigolactonas, lo que a su vez aumentará la ramificación de los hongos AM. Se espera que este desarrollo excesivo de los hongos proporcione el fosfato adicional requerido para la planta, ya que los hongos ahora pueden extenderse a más áreas del suelo. Sin embargo, dado que la estrigolactona también estimula la germinación de plantas parásitas, estas plantas deficientes en fosfato, también presentan mayor invasión de especies parásitas como Striga sp. Se ha demostrado que proporcionar un fosfato adecuado a través de la fertilización del suelo reduce la proliferación de estos parásitos , ya que requieren estrigolactona para su germinación.