Pseudomonas syringae es una bacteria Gram negativa con forma de bastón y flagelos polares. Como patógeno vegetal , puede infectar a una amplia gama de especies y existe en más de 50 patovares diferentes , [2] todos los cuales están disponibles para los investigadores en colecciones de cultivos internacionales como NCPPB, ICMP y otras.
Pseudomonas syringae es un miembro del género Pseudomonas y, según el análisis del ARNr 16S , se ha colocado en el grupo P. syringae . [3] Recibe su nombre del árbol lila ( Syringa vulgaris ), del que se aisló por primera vez. [4]
Un análisis filogenómico de 494 genomas completos de todo el género Pseudomonas mostró que P. syringae no forma una especie monofilética en sentido estricto, sino un grupo evolutivo más amplio que también incluye otras especies, como P. avellanae , P. savastanoi , P. amygdali y P. cerasi . [5]
La prueba de Pseudomonas syringae da negativo en la actividad de la arginina dihidrolasa y oxidasa , y forma el polímero levan en agar nutritivo con sacarosa . Muchas cepas, pero no todas, secretan la toxina vegetal lipodepsinonapéptido siringomicina [6] , y debe su apariencia fluorescente amarilla cuando se cultiva in vitro en medio King's B a la producción del sideróforo pioverdina [7] .
Pseudomonas syringae también produce proteínas activas de nucleación de hielo (INA) que hacen que el agua (en las plantas) se congele a temperaturas bastante altas (−1,8 a −3,8 °C (28,8 a 25,2 °F)), lo que resulta en lesiones. [8] Desde la década de 1970, P. syringae ha sido implicada como un nucleador de hielo biológico atmosférico , con bacterias transportadas por el aire que sirven como núcleos de condensación de nubes . Evidencias recientes han sugerido que la especie juega un papel más importante de lo que se pensaba anteriormente en la producción de lluvia y nieve . También se han encontrado en los núcleos de granizos , ayudando a la bioprecipitación . [9] Estas proteínas INA también se utilizan para fabricar nieve artificial . [10]
La patogénesis de Pseudomonas syringae depende de las proteínas efectoras secretadas en la célula vegetal por el sistema de secreción bacteriano de tipo III . Se han identificado casi 60 familias de efectores de tipo III diferentes codificadas por genes del lúpulo en P. syringae . [11] Los efectores de tipo III contribuyen a la patogénesis principalmente a través de su papel en la supresión de la defensa de la planta . Debido a la disponibilidad temprana de la secuencia del genoma de tres cepas de P. syringae y la capacidad de cepas seleccionadas de causar enfermedades en plantas hospedantes bien caracterizadas, incluidas Arabidopsis thaliana , Nicotiana benthamiana y el tomate , P. syringae ha llegado a representar un sistema modelo importante para la caracterización experimental de la dinámica molecular de las interacciones planta-patógeno . [12]
En 1961, Paul Hoppe, del Departamento de Agricultura de los Estados Unidos, estudió un hongo del maíz moliendo las hojas infectadas cada temporada y luego aplicando el polvo para probar el maíz de la temporada siguiente para rastrear la enfermedad. [13] Ese año se produjo una helada sorpresa que dejó resultados peculiares. Solo las plantas infectadas con el polvo enfermo sufrieron daños por heladas, dejando a las plantas sanas sin congelar. Este fenómeno desconcertó a los científicos hasta que el estudiante de posgrado Steven E. Lindow de la Universidad de Wisconsin-Madison con DC Arny y C. Upper encontró una bacteria en el polvo de hojas secas a principios de la década de 1970. [14] Steven E. Lindow , ahora fitopatólogo de la Universidad de California, Berkeley , descubrió que cuando esta bacteria en particular se introducía en plantas donde originalmente estaba ausente, las plantas se volvían muy vulnerables al daño por heladas. Luego identificó la bacteria como P. syringae , investigó el papel de P. syringae en la nucleación del hielo y, en 1977, descubrió la cepa mutante ice-minus . Más tarde también logró producir la cepa ice-minus de P. syringae mediante tecnología de ADN recombinante. [15]
Basándose en un análisis genómico y filogenómico comparativo de 494 genomas completos de todo el género Pseudomonas , P. syringae no forma una especie monofilética en sentido estricto, sino un grupo evolutivo más amplio (34 genomas en total, organizados en 3 subgrupos) que incluye también a otras especies. [5] El proteoma central del grupo P. syringae comprendía 2944 proteínas, mientras que el recuento de proteínas y el contenido de GC de las cepas de este grupo oscilaban entre 4973 y 6026 (promedio: 5465) y entre 58 y 59,3% (promedio: 58,6%), respectivamente. [5]
Pseudomonas syringae hiberna en tejidos vegetales infectados, como regiones de necrosis o gomosis (savia que supura de las heridas del árbol), pero también puede hibernar en tejidos vegetales de aspecto saludable. En primavera, el agua de lluvia u otras fuentes arrastrará la bacteria a las hojas y flores, donde crecerá y sobrevivirá durante todo el verano. [16] Esta es la fase epífita del ciclo de vida de P. syringae , donde se multiplicará y se propagará, pero no causará una enfermedad. Una vez que ingresa a la planta a través de los estomas de una hoja o manchas necróticas en las hojas o el tejido leñoso, comenzará la enfermedad. [17] Luego, el patógeno explotará y crecerá en el espacio intercelular causando las manchas y los cancros en las hojas. P. syringae también puede sobrevivir a temperaturas ligeramente por debajo del punto de congelación. Estas temperaturas por debajo del punto de congelación aumentan la gravedad de la infección en árboles como el cerezo ácido, el albaricoquero y el melocotonero. [16]
Las enfermedades causadas por P. syringae tienden a verse favorecidas por condiciones húmedas y frescas; las temperaturas óptimas para la enfermedad tienden a estar alrededor de los 12-25 °C (54-77 °F), aunque esto puede variar según el patovar involucrado. Las bacterias tienden a ser transmitidas por semillas y se dispersan entre las plantas por las salpicaduras de lluvia. [18]
Aunque es un patógeno vegetal, también puede vivir como saprótrofo en la filosfera cuando las condiciones no son favorables para la enfermedad. [19] Algunas cepas saprótrofas de P. syringae se han utilizado como agentes de biocontrol contra podredumbres poscosecha. [20]
Los mecanismos de patogenicidad de P. syringae se pueden separar en varias categorías: capacidad de invadir una planta, capacidad de superar la resistencia del huésped , formación de biopelículas y producción de proteínas con propiedades de nucleación del hielo. [21]
La P. syringae planctónica es capaz de entrar en las plantas utilizando sus flagelos y pili para nadar hacia un huésped objetivo. Entra en la planta a través de heridas de sitios de apertura naturales, ya que no es capaz de romper la pared celular de la planta. Un ejemplo de esto es la asociación con la mosca minadora de hojas Scaptomyza flava , que crea agujeros en las hojas durante la oviposición que el patógeno puede aprovechar. [22] El papel de los taxis en P. syringae no ha sido bien estudiado, pero se cree que las bacterias utilizan señales químicas liberadas por la planta para encontrar a su huésped y causar infección. [21]
Los aislados de Pseudomonas syringae contienen una serie de factores de virulencia denominados proteínas efectoras del sistema de secreción de tipo III (T3SS) . Estas proteínas funcionan principalmente para causar síntomas de la enfermedad y manipular la respuesta inmunitaria del huésped para facilitar la infección. La principal familia de efectores del T3SS en P. syringae es el grupo de genes hrp , que codifica el aparato de secreción de Hrp. [21]
Los HopZ1 son efectores de tipo III que interfieren con la enzima Glycine max 2-hidroxiisoflavanona deshidratasa ( GmHID1 ). HopZ1b degrada la daidzeína después de su producción, lo que reduce las concentraciones y, por lo tanto, la inmunidad que proporciona a la planta. [23]
Los patógenos también producen fitotoxinas que dañan a la planta y pueden suprimir el sistema inmunológico del huésped. Una de estas fitotoxinas es la coronatina , que se encuentra en los patotipos Pto y Pgl . [21]
Pst DC3000 produce un PsINF1 , el INF1 en P. syringae . Los huéspedes responden con autofagia al detectar este inductor . Liu et al. 2005 considera que esta es la única alternativa a la hipersensibilidad masiva que conduce a la muerte celular programada masiva . [24]
Pseudomonas syringae produce polisacáridos que le permiten adherirse a la superficie de las células vegetales. También libera moléculas de detección de quórum , que le permiten detectar la presencia de otras células bacterianas cercanas. Si estas moléculas superan un nivel umbral, las bacterias modifican su patrón de expresión genética para formar una biopelícula y comenzar a expresar genes relacionados con la virulencia. Las bacterias secretan compuestos altamente viscosos, como polisacáridos y ADN, para crear un entorno protector en el que crecer. [21]
Pseudomonas syringae —más que cualquier mineral u otro organismo— es responsable del daño superficial por heladas en plantas [25] expuestas al medio ambiente. Para plantas sin proteínas anticongelantes , el daño por heladas ocurre generalmente entre -4 y -12 °C (25 y 10 °F) ya que el agua en el tejido vegetal puede permanecer en un estado líquido superenfriado . P. syringae puede hacer que el agua se congele a temperaturas tan altas como -1,8 °C (28,8 °F), [26] pero las cepas que causan nucleación de hielo a temperaturas más bajas (hasta -8 °C (18 °F)) son más comunes. [27] La congelación causa lesiones en los epitelios y hace que los nutrientes en los tejidos vegetales subyacentes estén disponibles para las bacterias. [ cita requerida ]
Pseudomonas syringae tiene genes ina (activos para la nucleación del hielo) que producen proteínas INA que se trasladan a la membrana bacteriana externa en la superficie de la bacteria, donde las proteínas actúan como núcleos para la formación de hielo. [27] Se han creado cepas artificiales de P. syringae conocidas como bacterias sin hielo para reducir el daño por heladas. [ cita requerida ]
Se ha encontrado Pseudomonas syringae en el centro de granizos, lo que sugiere que la bacteria puede desempeñar un papel en el ciclo hidrológico de la Tierra. [9]
Actualmente no existe una forma 100% efectiva de erradicar P. syringae de un campo. La forma más común de controlar este patógeno es rociar bactericidas con compuestos de cobre u otros metales pesados que se pueden combinar con fungicidas u otros productos químicos para el control de plagas. Los tratamientos químicos con cobre fijo como el Burdeos , el hidróxido de cobre y el sulfato cúprico se utilizan para detener la propagación de P. syringae al matar la bacteria mientras está en la etapa de epífita en las hojas o partes leñosas de los árboles; sin embargo, existen cepas resistentes de P. syringae . [28] La pulverización de antibióticos como la estreptomicina y bactericidas orgánicos es otra forma de controlar P. syringae , pero es menos común que los métodos enumerados anteriormente. [29]
Una nueva investigación ha demostrado que añadir amonio (NH 4 + ) a las plantas de tomate puede provocar un cambio metabólico que genere resistencia contra Pseudomonas syringae. Este "síndrome del amonio" provoca desequilibrios nutricionales en la planta y, por lo tanto, desencadena una respuesta de defensa contra el patógeno. [30]
Se ha demostrado que las prácticas de higiene estrictas utilizadas en los huertos junto con la poda a principios de la primavera y el verano hacen que los árboles sean más resistentes a P. syringae. La cauterización de los chancros que se encuentran en los árboles de los huertos puede salvar la vida del árbol al detener la propagación de la infección. [31]
La cría de plantas resistentes es otra forma relativamente eficaz de evitar la P. syringae. Se ha dado resultado en el portainjerto de cerezo con Pseudomonas syringae pv. syringae , pero hasta ahora, ninguna otra especie es 100% resistente a este patógeno. La cría de plantas resistentes es un proceso lento, especialmente en árboles. Desafortunadamente, la bacteria P. syringae puede adaptarse genéticamente para infectar plantas resistentes, y el proceso de cría de plantas resistentes tiene que empezar de nuevo.
Un tratamiento combinado de bacteriófagos y carvacrol parece prometedor en el control de las formas planctónicas y de biopelícula . [32]
Tras el análisis de ribotipos , se propuso la incorporación de varios patovares de P. syringae en otras especies [33] (véase P. amygdali , 'P. tomate' , P. coronafaciens , P. avellanae , 'P. helianthi' , P. tremae , P. cannabina y P. viridiflava ). Según este esquema, los patovares restantes son:
Sin embargo, muchas de las cepas para las que se propusieron nuevas agrupaciones de especies continúan siendo mencionadas en la literatura científica como patovares de P. syringae , incluyendo los patovares tomate , phaseolicola y maculicola . Pseudomonas savastanoi alguna vez fue considerada un patovar o subespecie de P. syringae , y en muchos lugares continúa siendo referida como P. s. pv. savastanoi , aunque como resultado de estudios de relación de ADN, ha sido instaurada como una nueva especie. [33] Tiene tres patovares específicos del huésped: P. s. fraxini (que causa el cancro del fresno ), P. s. nerii (que ataca a la adelfa ) y P. s. oleae (que causa el nudo del olivo ).
Se cree que una combinación de los genes efectores del patógeno y los genes de resistencia de la planta determina qué especies puede infectar un patovar en particular. Las plantas pueden desarrollar resistencia a un patovar al reconocer patrones moleculares asociados al patógeno (PAMP) y lanzar una respuesta inmunitaria. Estos PAMP son necesarios para que el microbio funcione, por lo que no se pueden perder, pero el patógeno puede encontrar formas de suprimir esta respuesta inmunitaria, lo que conduce a una carrera armamentista evolutiva entre el patógeno y el huésped. [21] [38]
Debido a la disponibilidad temprana de secuencias del genoma paraP. syringae pv. tomate cepa DC3000 ,P. syringaepv.syringaecepa B728a yP. syringaepv.phaseolicolacepa 1448A, junto con la capacidad de cepas seleccionadas para causar enfermedades en plantas hospedantes bien caracterizadas como Arabidopsis thaliana , Nicotiana benthamiana y tomate,P. syringaeha llegado a representar un sistema modelo importante para la caracterización experimental de la dinámica molecular de lasinteracciones planta-patógeno.[39]ElP. syringaeha sido una fuente de evidencia pionera del importante papel de los productos genéticos de patógenos en la supresión de la defensa de las plantas. El sistema de nomenclatura desarrollado parade P. syringaeha sido adoptado por investigadores que caracterizan repertorios de efectores en otras bacterias,[40]y los métodos utilizados para la identificación bioinformática de efectores se han adaptado para otros organismos. Además, los investigadores que trabajan conP. syringaehan desempeñado un papel fundamental en el grupo de trabajo de ontología genética de microbios asociados a plantas, cuyo objetivo es desarrollar términos de ontología genética que capturen los procesos biológicos que ocurren durante las interacciones entre organismos y utilizar los términos para la anotación de productos genéticos.[41]
Como se mencionó anteriormente, el genoma de P. syringae pv. grapefruit DC3000 ha sido secuenciado , [42] y se han identificado aproximadamente 40 efectores Hop (Hrp Outer Protein), proteínas patógenas que atenúan la célula huésped. [43] Estos 40 efectores no son reconocidos por A. thaliana , lo que hace que P. syringae pv. grapefruit DC3000 sea virulento contra ella, es decir, P. syringae pv. grapefruit DC3000 es capaz de infectar a A. thaliana , por lo que A. thaliana es susceptible a este patógeno. [ cita requerida ]
Se han identificado muchas relaciones gen por gen utilizando los dos organismos modelo, P. syringae pv. tomate cepa DC3000 y Arabidopsis . La relación gen por gen describe el reconocimiento de genes de avirulencia patógena ( avr ) por genes de resistencia del huésped (genes R). P. syringae pv. tomate DC3000 es una herramienta útil para estudiar las interacciones avr : gen R en A. thaliana porque puede transformarse con genes avr de otros patógenos bacterianos y, además, debido a que ninguno de los genes endógenos del lúpulo es reconocido por A. thaliana , cualquier reconocimiento de avr observado identificado utilizando este modelo puede atribuirse al reconocimiento del avr introducido por A. thaliana . [44] La transformación de P. syringae pv. tomate DC3000 con efectores de otros patógenos ha llevado a la identificación de muchos genes R en Arabidopsis para avanzar aún más en el conocimiento de las interacciones de los patógenos de las plantas .
El gen de la proteína relacionada con la dinamina 2b/drp2b en A. thaliana no es directamente un gen de inmunidad, pero al ayudar a mover material externo hacia la red intracelular está indirectamente relacionado, y algunos mutantes aumentan la susceptibilidad. [48]
Como sugiere su nombre, P. syringae pv. tomate DC3000 ( Pst DC3000) es virulento para el tomate ( Solanum lycopersicum ). Sin embargo, el cultivar de tomate Rio Grande-PtoR (RG-PtoR), que alberga el gen de resistencia Pto , reconoce efectores clave secretados por Pst DC3000, lo que lo hace resistente a la bacteria. [49] Estudiar las interacciones entre las líneas de tomate que expresan Pto y Pst DC3000 y sus patovares es un sistema poderoso para comprender las interacciones planta-microbio. [50] [51]
Al igual que otras plantas, el tomate tiene un sistema de defensa contra patógenos de dos niveles. La primera y más universal línea de defensa de las plantas, la inmunidad desencadenada por patrones (PTI) , se activa cuando los receptores de reconocimiento de patrones (PRR) de la planta en la superficie celular se unen a patrones moleculares asociados a patógenos (PAMP) . [52] La otra rama de la inmunidad vegetal, la inmunidad desencadenada por efectores (ETI) , se activa cuando las proteínas NB-LRR intracelulares (sitio de unión de nucleótidos, repetición rica en leucina) se unen a un efector, una molécula específica de un patógeno en particular. La ETI es generalmente más grave que la PTI, y cuando se alcanza un umbral de activación de la defensa, puede desencadenar una respuesta de hipersensibilidad (HR) , que es la muerte intencionada del tejido del huésped para prevenir la propagación de la infección. [52] Dos efectores clave secretados por Pst DC3000 son AvrPto y AvrPtoB, que inician la ETI al unirse al complejo receptor Pto/Prf en líneas de tomate que expresan Pto como RG-PtoR. [53]
Pst DC3000 ha sido modificado para crear la cepa mutante Pst DC3000 ∆avrPto∆avrPtoB ( Pst DC3000∆∆), que no expresa ni AvrPto ni AvrPtoB. Al infectar RG-PtoR con Pst DC3000∆∆, no se desencadena la ETI al patógeno debido a la ausencia de los principales efectores reconocidos por el complejo Pto/Prf. [54] [55] En el laboratorio, esto es muy valioso, ya que el uso de Pst DC3000∆∆ permite a los investigadores estudiar la función de los genes candidatos a PTI en RG-PtoR, que de otro modo estarían enmascarados por la ETI. [53] [56]
Otro derivado útil de DC3000 es Pst DC3000 ∆avrPto∆avrPtoB∆fliC ( Pst DC3000∆∆∆). Al igual que Pst DC3000∆∆, esta cepa no expresa AvrPto y AvrPtoB, pero también tiene un knock-out adicional para fliC , el gen que codifica la flagelina , cuyos fragmentos sirven como PAMP principales necesarios para la PTI del tomate. [57] [58] Al comparar plantas dentro de la misma línea que han sido infectadas con Pst DC3000∆∆ o Pst DC3000∆∆∆, los investigadores pueden determinar si los genes de interés son importantes para la vía de reconocimiento de flagelina de PTI. [58]
Al tratar mutantes knockout de tomate inducidos por CRISPR (en un fondo RG-PtoR) con Pst DC3000, Pst DC3000 ∆avrPto∆avrPtoB o Pst DC3000 ∆avrPto∆avrPtoB∆fliC se ha logrado la caracterización de componentes clave del sistema inmunológico del tomate y se sigue utilizando para promover el campo de la patología del tomate.
Pseudomonas syringae ha afectado a muchas industrias de cultivos y huertos con sus diversos patovares.
Mesarich et al. 2017 proporciona varias bibliotecas para la secuenciación por inserción de transposones de mutantes de P. sa [59]
La industria del kiwi en Nueva Zelanda ha sufrido pérdidas catastróficas desde su primer brote conocido en 2007 de P. syringae pv. actinidiae . [34] Nueva Zelanda es el segundo país después de Italia en volumen total de exportaciones de kiwi, con un ingreso anual de 1.000 millones de dólares neozelandeses, lo que lo convierte en la exportación económicamente más valiosa del país. En 2014, la pérdida de exportaciones por sí sola fue de 930 millones de dólares neozelandeses. [60] Los productores tuvieron que pagar tratamientos y la eliminación de vides infectadas, además de sufrir la pérdida de valor de capital en sus huertos. Para algunos, los valores de los huertos pasaron de 450.000 dólares neozelandeses/ha a 70.000 dólares neozelandeses/ha después del brote, que es el precio de la tierra desnuda. La pérdida total de capital para el país de Nueva Zelanda fue de 2.000 millones de dólares neozelandeses. [61]
Entre 2010 y 2012, más de 2.000 hectáreas (4.900 acres) de plantaciones de kiwis italianos fueron destruidas por P. syringae pv. actinidiae o fueron eliminadas para contener la enfermedad. Las consecuencias financieras para los productores y sus proveedores fueron graves, al igual que las consecuencias económicas en términos más generales. [62]
