Relevancia de la quimiotaxis bacteriana para la colonización e infección de plantas
Relevancia de la quimiotaxis bacteriana para la colonización e infección de plantas
Miriam Rico-Jiménez iD, Salvador Muñoz-Mira, Tino Krell* iD, Miguel A. Matilla* iD
Departamento de Protección Ambiental, Estación Experimental del Zaidín, Consejo Superior de Investigaciones Científicas, Granada, España. *tino.krell@eez.csic.es; **miguel.matilla@eez.csic.es
http://doi.org/10.5281/zenodo.5771451
Bajar cita (RIS): Rico-Jiménez et al., 2021 AyTBUAP 6(24):143-172
Editado por: Jesús Muñoz-Rojas (Instituto de Ciencias, BUAP)
Fecha de publicación: 27 diciembre 2021
EOI: https://eoi.citefactor.org/10.11235/BUAP.06.24.07
URI: https://hdl.handle.net/20.500.12371/15572
Referencia: Rico-Jiménez M, Muñoz-Mira S, Krell T, Matilla MA. Relevancia de la quimiotaxis bacteriana para la colonización e infección de plantas. Alianzas y Tendencias BUAP [Internet]. 2021;6(24):143–72. Available from: https://www.aytbuap.mx/aytbuap-624/relevancia-de-la-quimiotaxis-bacteriana-para-la-colonización-e-infección-de
RESUMEN
Las bacterias asociadas a plantas presentan múltiples estrategias para colonizar e infectar a sus hospedadores. Entre estas estrategias, la quimiotaxis, definida como el movimiento dependiente de flagelo a favor o en contra de gradientes químicos, es uno de los mecanismos claves en este proceso; tanto en fitobacterias beneficiosas como patógenas. Así, múltiples estudios han demostrado que mutantes deficientes en quimiotaxis presentan una colonización reducida de superficies y tejidos vegetales. En el caso de bacterias fitopatógenas, esta menor capacidad colonizadora resulta, con frecuencia, en una atenuación de la virulencia. En los últimos años se está avanzando de manera notable en la caracterización de los quimiorreceptores implicados en la interacción planta-bacteria. En este artículo, se analizó la importancia de la quimiotaxis en general, y de quimiorreceptores específicos en particular, en la colonización de plantas por bacterias beneficiosas pertenecientes a los géneros Azospirillum, Pseudomonas y Bacillus. De igual manera, se revisó la implicación de la quimiotaxis y quimiorreceptores en la virulencia de bacterias fitopatógenas como Ralstonia solanacearum y aquéllas pertenecientes al complejo Pseudomonas syringae. Se incide en que la quimiotaxis juega un papel clave principalmente en las etapas previas al proceso de colonización, mientras que tiene un papel más secundario una vez que la bacteria se ha establecido en la planta.
Palabras clave: quimiotaxis; quimiorreceptor; rizobacterias; fitopatógenos; señalización; interacción planta-bacteria.
ABSTRACT
Plant-associated bacteria present multiple strategies to colonize and infect their hosts. Among these strategies, chemotaxis, defined as the directed, flagellum-based movement in favour or against chemical gradients, is one of the key mechanisms in this process, both in beneficial and pathogenic phytobacteria. Thus, multiple studies have revealed that mutant strains deficient in chemotaxis show reduced colonization of plant surfaces and tissues. In the case of phytopathogenic bacteria, this reduced colonisation capacity often results in a decrease in virulence. In recent years, significant progress has been made in the characterisation of chemoreceptors involved in plant-bacteria interactions. In this article, we analyse the importance of chemotaxis in general and of specific chemoreceptors in particular in the colonisation of plants by beneficial plant bacteria belonging to the genera Azospirillum, Pseudomonas and Bacillus, as well as in the virulence of phytopathogenic bacteria such as Ralstonia solanacearum and those belonging to the Pseudomonas syringae complex. It is highlighted that chemotaxis plays a key role mainly in the initial stages of the plant colonisation process, while it has a secondary role once bacteria are established in the plant.
Keywords: chemotaxis; chemoreceptor; rhizobacteria; phytopathogens; signaling; plant-bacteria interaction.
INTRODUCCIÓN
Introducción a los mecanismos moleculares de la quimiotaxis bacteriana
A lo largo de la evolución, las bacterias han desarrollado diferentes estrategias para adaptarse de manera eficiente a su entorno, adecuando su metabolismo y fisiología a los cambios ambientales que perciben [1, 2]. Estas estrategias implican múltiples sistemas de percepción de señales, tanto ambientales como intracelulares. Estos sistemas sensores son altamente diversos, tanto en el tipo de señales que reconocen (ej. luz, temperatura, pH, oxígeno, presencia de nutrientes orgánicos e inorgánicos, compuestos tóxicos, etc.) como en el tipo de respuestas que desencadenan [3–5].
Los sistemas de un componente (OCS, del inglés “one component systems”), de dos componentes (TCS, del inglés “two component systems”) y las vías de quimioseñalización [6] son los tres principales sistemas de transducción de señales en bacterias. La mayoría de los OCSs y TCSs regulan la expresión génica, tanto a nivel global como la expresión de genes implicados en procesos celulares específicos [7, 8]. En cambio, los sistemas de quimioseñalización están fundamentalmente especializados en la regulación de la quimiotaxis. No obstante, existen vías de quimioseñalización que modulan procesos celulares alternativos como la motilidad dependiente de pili de tipo IV [9] o los niveles intracelulares de segundos mensajeros [6, 9].
La quimiotaxis permite a las bacterias desplazarse de manera dirigida, tanto a favor (quimioatracción) como en contra (quimiorrepelencia), en un gradiente de concentración de un estímulo ambiental o químico [10, 11]. Gracias a la quimiotaxis, las bacterias pueden dirigirse hacia un entorno más óptimo para su desarrollo y supervivencia, permitiendo que se favorezca la formación de biopelículas y la interacción con hospedadores [11, 12]. Asimismo, las bacterias también pueden presentar quimiotaxis energética que les permite desplazarse hacia ambientes más adecuados para el desarrollo de su actividad metabólica. En consecuencia, a través de la quimotaxis energética, las bacterias pueden sensar los niveles energéticos de la célula, permitiendo así desplazarse hacia ambientes que posibiliten una mayor generación de energía por la bacteria [13].
La cascada de transducción de señales que controla la quimiotaxis se inicia con el reconocimiento de señales (quimioefectores) por proteínas quimiorreceptoras. Los quimiorreceptores forman un complejo ternario con la quinasa sensora CheA y con la proteína adaptadora CheW [14]. La unión del quimioefector por el quimiorreceptor crea un estímulo molecular que modula la autofosforilación de CheA y la posterior transfosforilación del regulador de respuesta CheY. En su estado fosforilado, CheY se une al motor flagelar regulando la rotación del mismo; proceso que genera alteraciones en la dirección de movimiento de la bacteria que finalmente deriva en procesos quimiotácticos (Fig. 1) [9, 15]. Varias proteínas adicionales participan en la regulación de la actividad de esta vía de quimioseñalización. Entre ellas, la metiltransferasa CheR y la metilesterasa CheB alteran el estado de metilación del quimiorreceptor para modular su sensibilidad a los quimioefectores [10, 16]. Además, algunas vías de quimioseñalización presentan proteínas adicionales como la deamidasa CheD, la proteína adaptadora CheV y las fosfatasas CheC, CheX y CheZ, las cuales actúan sobre CheY para modular su estado de fosforilación (Fig. 1) [6, 9].
Figura 1. Cascada de quimioseñalización que modula procesos quimiotácticos. En gris se representan las proteínas centrales que se encuentran en la mayoría de las vías de quimioseñalización, mientras que se resalta en amarillo aquellas proteínas auxiliares que únicamente están presentes en vías de quimioseñalización concretas [6]. DUL, dominio de unión a ligando; DS, dominio de señalización.
La especificidad de la respuesta quimiotáctica resulta del reconocimiento, de manera directa o indirecta, del quimioefector por el dominio de unión a ligandos (DULs) del quimiorreceptor. La mayoría de los quimiorreceptores son proteínas transmembrana y un receptor canónico presenta su DUL localizado en el espacio extra-citoplasmático; en donde se produce el reconocimiento del quimioefector (Fig. 1) [5, 15]. La mayor parte de los quimiorreceptores caracterizados hasta la fecha reconocen quimioefectores directamente a través de sus correspondientes DULs [5, 17]. Sin embargo, los quimiorreceptores también pueden reconocer ligandos indirectamente a través de su interacción con proteínas periplásmicas de unión a sustratos (PPSs) [18]. Aunque el número de quimiorreceptores descritos que están estimulados por PPSs es reducido, existe un número creciente de evidencias experimentales que destacan el papel clave de distintas PPSs en la activación de las vías de quimioseñalización [18].
La gran mayoría de los quimioefectores identificados sirven como fuentes de carbono y/o nitrógeno para el crecimiento o como aceptores de electrones en el metabolismo bacteriano. Entre éstos, se encuentran azúcares, aminoácidos, ácidos orgánicos, dipéptidos, hidrocarburos aromáticos y alifáticos, bases nucleotídicas, poliaminas y oxígeno [5, 17, 19, 20]. Por otra parte, se han identificado quimiorreceptores implicados en la quimiotaxis hacia hormonas de plantas [21, 22], fosfato inorgánico [23], iones metálicos [24], neurotransmisores [25] y señales de quorum sensing [26, 27]. Sin embargo, se desconocen los ligandos que reconocen la mayoría de los quimiorreceptores bacterianos. Esta dificultad está en parte motivada por: (i) la presencia de quimiorreceptores con funciones redundantes en una misma bacteria; (ii) la especificidad diferencial por quimioefectores que presentan DULs con alta similitud de secuencia; y (iii) la divergencia de secuencia existente entre los distintos tipos de DULs [5, 28]. Para avanzar en este conocimiento, se están empleando diferentes aproximaciones multidisciplinares. Entre ellas, se incluyen los escrutinios de alto rendimiento con proteínas recombinantes, técnicas biofísicas, cristalográficas y estudios de acoplamiento molecular in silico [28].
Papel de la motilidad y la quimiotaxis en la interacción planta-bacteria
La importancia de la motilidad en fitobacterias beneficiosas y patógenas para la colonización de tejidos vegetales se ha demostrado en múltiples estudios. Así, cepas mutantes que presentan una motilidad flagelar reducida colonizan menos eficientemente la rizosfera o presentan dificultades para establecerse como poblaciones endófitas en las raíces [29–33]. Por otra parte, variantes mutantes hipermóviles aisladas de la rizosfera presentan una mayor capacidad competitiva para la colonización radicular que las cepas silvestre [29]. De forma similar, mutantes de bacterias fitopatógenas deficientes en motilidad dependiente de flagelo presentan una menor capacidad colonizadora de tejidos foliares [34, 35]. Por tanto, se podría generalizar que una reducción en la motilidad flagelar resulta en una disminución de la colonización de la planta y una menor fitopatogenicidad [34, 36–39].
La caracterización de cepas mutantes deficientes en proteínas quimioseñalizadoras ha permitido establecer la relevancia de la quimiotaxis tanto para la colonización de la rizosfera y tejidos vegetales por bacterias beneficiosas [40] como para virulencia de bacterias fitopatógenas [41]. En concordancia con estos datos, el análisis in silico de genomas bacterianos ha revelado que las bacterias con estilos de vida complejos y con elevada diversidad metabólica, como es el caso de bacterias que interaccionan con plantas, presentan un mayor número de proteínas quimiorreceptoras [40–43]. Así, el análisis de los genomas de bacterias edáficas que establecen interacciones beneficiosas con plantas indica que la mayoría de estos microorganismos presentan genes de quimiotaxis y motilidad, lo que les permite migrar desde entornos altamente heterogéneos como los suelos hasta ambientes más favorables para su supervivencia y proliferación [40]. Entre estos ambientes favorables para el desarrollo bacteriano se encuentra la rizosfera, donde las bacterias tienen acceso a altas concentraciones de nutrientes orgánicos e inorgánicos procedentes de los exudados radiculares [44–46]. Adicionalmente, el porcentaje de bacterias que presentan vías de quimiotaxis es considerablemente mayor en bacterias fitopatógenas que en patógenas de humanos y otros animales [41, 43]. Además, en promedio, el número de quimorreceptores presentes en bacterias fitopatógenas es significativamente mayor que en patógenos humanos u otros animales [41]. En su conjunto, estos datos son indicativos de la relevancia de la quimiotaxis en bacterias asociadas a plantas.
En el presente artículo se aborda un análisis detallado de los mecanismos moleculares de la quimiotaxis durante la interacción planta-bacteria, tanto en fitobacterias beneficiosas como patógenas. Para ello, se consideraron los estudios existentes en varias fitobacterias modelo.
Quimiotaxis en fitobacterias beneficiosas
Azospirillum brasilense
Azospirillum brasilense es una de las rizobacterias promotoras del crecimiento vegetal (PGPR, del inglés “plant growth promoting rhizobacterium”) más estudiadas y representa un modelo de referencia en la investigación de las interacciones planta-bacteria [47]. Entre sus propiedades promotoras del crecimiento vegetal destacan su capacidad para fijar nitrógeno atmosférico, así como la producción de ácido indolacético (AIA) y óxido nítrico [47]. Debido a estas características, A. brasilense se comercializa como biofertilizante para su aplicación a cultivos como el maíz, trigo, soja o cebada [48]. También se ha descrito que A. brasilense podría ser de gran interés en el biocontrol de bacterias, hongos e insectos fitopatógenos [49–54].
La motilidad de A. brasilense es crucial para la colonización de raíces y su dispersión desde raíces colonizadas [55–57]. Esta rizobacteria presenta quimiotaxis hacia exudados radiculares y componentes individuales de los mismos (ej. azúcares, ácidos orgánicos, aminoácidos y compuestos aromáticos) [40, 58, 59]. Se ha demostrado que mutantes de A. brasilense deficientes en quimiotaxis presentan una colonización radicular reducida en comparación con la cepa silvestre [58, 60].
Las cepas de A. brasilense presentan cuatro vías de quimioseñalización, de las cuales únicamente las vías Che1 y Che4 juegan un papel esencial en la quimiotaxis controlando, respectivamente, la velocidad del flagelo y los cambios en la dirección de rotación del motor flagelar [61, 62]. Además, se ha demostrado la importancia de la vía Che4 para la colonización de raíces [62]. El empleo de aproximaciones que permiten la visualización de la colonización de la rizosfera y raíces han permitido establecer que A. brasilense coloniza preferentemente los pelos radicales y las zonas de elongación radicular en plantas de trigo y alfalfa. La respuesta quimioatrayente se observó segundos después de exponer la rizobacteria a raíces de trigo; respuesta que no se produjo en cepas mutantes no quimiotácticas [60]. En cambio, se observó una respuesta quimiorrepelente en la zona del ápice radicular de trigo [60].
Las cepas secuenciadas de A. brasilense presentan entre 50 y 52 proteínas quimiorreceptoras (Tabla 1) y dos de ellas, Tlp1 y Aer, son importantes para la colonización de raíces [60, 63, 64]. El quimiorreceptor Aer juega un papel en la quimiotaxis energética de A. brasilense y media respuestas de quimiorrepelencia frente a especies reactivas de oxígeno [60, 64]. Por otro lado, Tlp1 es responsable de mediar quimiotaxis atrayente hacia ácidos orgánicos como el malato, piruvato y succinato, además de respuestas quimiorrepelentes frente a especies reactivas de oxígeno. Así, un mutante en tlp1 es deficiente en la colonización de pelos radicales y zonas de elongación radicular; pero coloniza eficientemente ápices radiculares [60].
Bacillus spp.
Las bacterias asociadas a plantas pertenecientes al género Bacillus son consideradas excelentes promotoras del crecimiento vegetal [66, 67] y agentes de biocontrol de bacterias [68–72] y hongos fitopatógenos [73–79]. Este último aspecto está fundamentalmente motivado por su capacidad para sintetizar compuestos antibióticos e inducir resistencia sistémica (ISR) en la planta [74, 79, 80]. Bacterias beneficiosas pertenecientes al género Bacillus se aíslan frecuentemente de suelos y plantas, pudiendo colonizar tejidos vegetales tanto de forma epífita como endófita [81]. Además, forman endosporas, lo que garantiza por una parte su supervivencia bajo condiciones ambientales adversas y, por otra, que puedan formularse y almacenarse fácilmente como biofertilizantes [75, 79, 82].
Diversos estudios han demostrado la importancia de la motilidad y la quimiotaxis para el adecuado establecimiento de Bacillus spp. en la rizosfera, permitiendo así poder iniciar la formación de biopelículas y la colonización de la raíz [83]. De hecho, en distintos estudios se ha observado la expresión diferencial de genes implicados en motilidad y quimiotaxis en presencia de exudados radiculares, semillas y plántulas [84–86]. Además, bacterias del género Bacillus muestran quimiotaxis hacia componentes de exudados radiculares como aminoácidos, ácidos orgánicos y azúcares [87, 88]. Mutantes de Bacillus spp. deficientes en motilidad y/o quimiotaxis presentan una colonización radicular reducida en comparación con la cepa silvestre [83, 89].
Bacillus spp. asociadas a plantas tienen una única vía de quimioseñalización y la mayoría de las cepas de B. subtilis y B. amyloliquefaciens poseen entre 6 y 10 quimiorreceptores (Tabla 1) [65]. Entre estos receptores, McpC de B. subtilis media quimiotaxis hacia aminoácidos, reconociendo 11 de forma directa y 4 indirectamente mediante PPSs [90]. Por otro lado, McpB media quimiotaxis atrayente a asparagina [91] y parece ser el único quimiorreceptor implicado en la taxis hacia este aminoácido [92]. Es de destacar que los quimiorreceptores McpB y McpC parecen estar implicados en la interacción de la B. subtilis con Arabidopsis thaliana en etapas tempranas de la colonización radicular [83]. Asimismo, en una cepa de B. velezensis se ha demostrado que los quimiorreceptores McpA y McpC son esenciales tanto para la quimiotaxis hacia ácidos orgánicos (McpA) y aminoácidos (McpA y McpC) presentes en exudados radiculares como para la posterior colonización de la raíz de pepino [89].
Utilizando una cepa mutante de B. subtilis deficiente en cheA se determinó la trascendencia de la quimiotaxis para el desencadenamiento de ISR en A. thaliana frente a la bacteria fitopatógena Pseudomonas syringae pv. tomato DC3000. El estudio, que se desarrolló inoculando el suelo en el que se encontraban las plantas con una suspensión de B. subtilis silvestre o el mutante no quimiotáctico deficiente en cheA, demostró que las poblaciones de DC3000 en plantas tratadas con el mutante fueron similares a las de plantas no tratadas con el agente de biocontrol, y significativamente superiores a las de las plantas inoculadas con la cepa silvestre de B. subtilis [83].
Tabla 1. Número de quimiorreceptores en las especies bacterianas analizadas en este trabajo.
aDatos extraídos de MIST 3.0. [65].
Pseudomonas putida
Bacterias de la especie P. putida se aíslan de hábitats diversos entre los que destacan suelos y raíces. Esta ubicuidad se debe a un metabolismo altamente versátil que les permite prosperar en ambientes hostiles [93]. Varias cepas de P. putida se han clasificado como PGPRs [93], siendo sus principales propiedades promotoras del crecimiento su capacidad para: (i) solubilizar fosfato; (ii) sintetizar ácido indolacético [94]; (iii) desencadenar ISR [95, 96]; (iv) sintetizar sideróforos [97]; y (v) antagonizar el crecimiento bacteriano a través del sistema de secreción tipo VI [98]. Gracias a estas propiedades, P. putida tiene un enorme potencial como agente de biocontrol frente a enfermedades causadas por diversos organismos fitopatógenos [98–102]. Una de las principales cepas modelo es P. putida KT2440, la cual es una de las cepas de Pseudomonas mejor caracterizadas [103].
Como habitante natural de la rizosfera, P. putida exhibe respuestas quimiotácticas hacia exudados radiculares y forma biopelículas en superficies radiculares [104, 105]. Estudios con cepas mutantes de KT2440 deficientes en quimiotaxis han demostrado la importancia de este proceso para la colonización eficiente de la rizosfera [45]. P. putida KT2440 presenta tres rutas de quimioseñalización, estando únicamente una de ellas implicada en quimiotaxis [45, 106]. Esta cepa presenta 27 quimiorreceptores, habiéndose caracterizado funcionalmente diversos receptores implicados en la quimiotaxis hacia ácidos orgánicos [107, 108], aminoácidos [12], poliaminas [12, 109], purinas [110], ácido gamma-aminobutírico (GABA) [111] y ácidos orgánicos cíclicos [112]. La mayoría de estos compuestos están presentes en exudados radiculares [89, 113]. Es importante considerar que se ha evaluado la influencia de diferentes concentraciones de exudados radiculares sobre la expresión de la totalidad de los quimiorreceptores de KT2440. Los resultados mostraron que bajas concentraciones de exudados inducen la expresión de un elevado número de genes que codifican quimiorreceptores, mientras que altas concentraciones producen su represión. Por tanto, estos datos sugieren que la quimiotaxis hacia raíces se activaría a una cierta distancia del órgano, mientras que la quimiotaxis tendría un papel menos relevante una vez la bacteria se encuentra en las proximidades de la raíz o establecida en la misma (Fig. 2) [45].
Se ha estudiado la importancia de quimiorreceptores específicos en la colonización radicular de P. putida. Así, el quimiorreceptor McpG, que reconoce específicamente GABA, juega un papel clave tanto en la migración hacia raíces vegetales como en su posterior colonización [111]. Del mismo modo, se ha observado que la quimiotaxis hacia poliaminas, mediada por el receptor McpU, es también importante para la colonización radicular [12]. Por otra parte, P. putida KT2440 exhibe quimiotaxis hacia DIMBOA (2,4-dihidroxi-7-metoxi-2H-1,4-benzoxazin-3(4H)-ona), la principal benzoxacinona presente en exudados radiculares de maíz. Es de destacar que KT2440 coloniza menos eficientemente la rizosfera de plantas de maíz que son deficientes en la producción de DIMBOA [114]. Análisis transcriptómicos sugieren que el posible quimiorreceptor responsable de esta quimiotaxis sería el producto del gen PP_4888 [114, 115].
Figura 2. Modelo sobre la implicación de las diferentes concentraciones de exudados radiculares en la colonización de la rizosfera. Las diferentes líneas discontinuas representan las distancias a la raíz en el suelo circundante. Una mayor distancia a la raíz implica una menor concentración de exudados radiculares. Bajas y altas concentraciones de exudados radiculares se han mostrado que inducen y reprimen, respectivamente, la expresión de genes que codifican quimiorreceptores en Pseudomonas putida KT2440 [45]. La activación de la expresión de genes de quimiotaxis en bajas concentraciones de exudados (ej. a una alta distancia a la raíz) promovería procesos quimiotácticos hacia la raíz, reprimiéndose la quimiotaxis una vez que la bacteria se ha establecido en este órgano. Es decir, en presencia de altas concentraciones de exudados radiculares. En la imagen, se destacan distintos metabolitos quimioatrayentes presentes en los exudados radiculares que se ha demostrado que desempeñan una función en la colonización radicular en distintas bacterias modelo.
Pseudomonas fluorescens
Las bacterias de la especie P. fluorescens son ubicuas en suelos agrícolas y de gran relevancia como agentes de biocontrol y PGPRs – fundamentalmente gracias a su elevada capacidad de producción compuestos antibióticos, sideróforos, compuestos orgánicos volátiles, así como su capacidad para solubilizar fosfato e inducir ISR [116–121]. En varias cepas de P. fluorescens se ha demostrado su elevada capacidad competitiva durante la colonización de la rizosfera [122] y su papel en el biocontrol de bacterias, hongos e insectos fitopatógenos [123–127]. Estas propiedades hacen que las bacterias de esta especie sean potencialmente agentes biológicos de interés para su uso como biofertilizantes y biopesticidas [97].
Varias cepas de P. fluorescens responden quimiotácticamente hacia semillas, exudados radiculares y sus componentes [128–130]. Por ejemplo, se ha demostrado que P. fluorescens Pf0-1 presenta quimiotaxis hacia todos los aminoácidos proteinogénicos, L-malato, succinato y fumarato [131, 132]. Además, empleando mutantes deficientes en cheA, se demostró que la quimiotaxis es esencial para la colonización de la rizosfera en distintas cepas de P. fluorescens [128, 131].
Análisis in silico han evidenciado que las cepas de P. fluorescens tienen entre 3 y 5 rutas de quimioseñalización [65], pudiendo varias de ellas jugar un papel en quimiotaxis. Así, estudios realizados en la PGPR P. fluorescens F113 mostraron que las vías Che1, Che2 y Che3 regulan la motilidad dependiente de flagelo, estando todas ellas implicadas en la colonización de la rizosfera y siendo la vía Che1 la que juega un papel más importante en este proceso [133].
Las distintas cepas de P. fluorescens presentan de 26 a 58 quimiorreceptores (Tabla 1), habiéndose determinado la función de 5 de ellos en la cepa Pf0-1 y analizado su implicación en la colonización de la rizosfera de tomate [131]. Así, el triple mutante ctaA-ctaB-ctaC, deficiente en tres quimiorreceptores que median quimiotaxis hacia aminoácidos, coloniza en menor grado tejidos radiculares en competición con la cepa silvestre – sugiriendo la importancia de la quimiotaxis hacia aminoácidos para la colonización radicular [131]. Asimismo, la cepa mutante ctaA-ctaB-ctaC colonizó de manera más eficiente las raíces que una cepa mutante en cheA, indicando que otros quimioatrayentes presentes en exudados radiculares estarían implicados en este proceso de colonización [131]. En Pf0-1, los quimiorreceptores McpT y McpS son responsables de generar quimiotaxis atrayente hacia los ácidos orgánicos L-malato, succinato y fumarato. El quíntuple mutante ctaA-ctaB-ctaC-mcpT-mcpS es deficiente en la colonización de raíces de tomate en comparación con el triple mutante ctaA-ctaB-ctaC, sugiriendo un papel de la quimiotaxis hacia ácidos orgánicos en la colonización radicular [132].
Quimiotaxis en fitobacterias patógenas
Pseudomonas syringae “complex”
Las bacterias pertenecientes al complejo P. syringae causan enfermedades en una gran variedad de plantas herbáceas y arbóreas, incluyendo múltiples cultivos de relevancia agrícola [134–136]. De hecho, estos microorganismos son considerados uno de los patógenos vegetales bacterianos de mayor importancia a nivel global [134]. Su capacidad infectiva se debe, en gran medida, a su competencia para producir distintos factores de virulencia como son el sistema de secreción tipo III, fitotoxinas, enzimas degradadoras de la pared celular y hormonas vegetales, entre otros [136]. Los aislados de P. syringae pueden clasificarse en diferentes patovares que difieren en su perfil de huésped. Por esta razón, estos distintos patovares sirven como modelo para investigar la especificidad huésped-patógeno y la virulencia [134, 137]. De manera general, P. syringae se introduce en los tejidos de las plantas que infecta a través de aberturas naturales como los estomas o mediante heridas en la superficie de la planta [136, 138].
Se estima que la motilidad mediada por flagelo contribuye notablemente a la patogenicidad de P. syringae ya que mutaciones en genes implicados en la síntesis de este órgano motriz disminuyen la virulencia en distintas plantas huésped [138]. Aunque el papel de la quimiotaxis durante la infección es menos conocido, P. syringae muestra quimiotaxis hacia fitohormonas [22] y extractos vegetales [139]. Además, los datos actuales son indicativos de que la quimiotaxis en P. syringae tiene un papel fundamental en las etapas previas de la colonización de los espacios intercelulares de la planta hospedadora, mientras que no se requiere una vez que el patógeno se ha establecido en el apoplasto [140]. Para confirmar este hecho, análisis transcriptómicos permitieron comparar el perfil de expresión de P. syringae creciendo de forma epífita en hojas frente a bacterias desarrollándose en espacios apoplásticos. Los resultados revelaron la inducción en la expresión de genes implicados en la síntesis del flagelo y en quimiotaxis, incluyendo varios genes que codifican quimiorreceptores, en las bacterias que se encontraban creciendo de manera epífita. En cambio, la expresión de estos genes se reprimió cuando las bacterias se encontraban localizadas en el apoplasto [140]. En concordancia con estos datos, se ha observado que P. syringae pv. tomato se mueve quimiotácticamente hacia estomas abiertos, mientras que no muestra taxis hacia los mismos cuando éstos se encuentran cerrados [141].
La bacteria modelo P. syringae pv. tomato DC3000 presenta cuatro vías de quimioseñalización. La vía Che2 es una ruta de quimiotaxis canónica y una cepa mutante deficiente en cheA2 no presenta quimiotaxis hacia varios amino ácidos, ácidos orgánicos y poliaminas [142]. Además, cuando se inocularon cepas de P. syringae pv. tomato en plantas de tomate mediante aspersión, una cepa deficiente en cheA2 presentó una menor capacidad que la cepa silvestre para establecerse en la planta. Sin embargo, no se observaron diferencias entre las capacidades colonizadoras entre la cepa silvestre y un mutante cheA2 cuando ambas cepas se inocularon directamente en el apoplasto de plantas de tomate [143]. Estos datos son de nuevo indicativos de que la quimiotaxis en P. syringae pv. tomato es esencial durante la fase epífita de la infección [143].
Los genomas de las bacterias pertenecientes al complejo P. syringae presentan entre 45 y 55 quimiorreceptores (Tabla 1) y actualmente se desconoce la función de la mayoría de ellos. Sin embargo, se ha demostrado el papel de varios quimiorreceptores en la virulencia de diferentes cepas del complejo P. syringae. Por ejemplo, el quimiorreceptor PscA de P. syringae pv. tomato DC3000 reconoce específicamente L-Asp, L-Glu y D-Asp. La mutación de pscA no solo resultó en una ausencia de quimiotaxis hacia estos aminoácidos, sino en una disminución en la virulencia en plantas de tomate con respecto a la cepa silvestre [142]. De manera análoga, se ha demostrado en plantas de tabaco que dos cepas mutantes de P. syringae pv. tabaci deficientes en los quimiorreceptores PscB y PscC2, responsables de generar quimiotaxis hacia varios aminoácidos, mostraron una menor virulencia que la cepa silvestre [144]. Asimismo, la caracterización fenotípica en plantas de olivo de una librería de mutantes generada en la cepa P. savastanoi pv. savastanoi NCPPB 3335 permitió identificar un mutante deficiente en el quimiorreceptor PSA3335_2872 que presentaba una disminución en la virulencia. Aunque se desconoce el quimioefector reconocido por este receptor, una cepa mutante en PSA3335_2872 generó tumores de menor tamaño y alcanzó menores densidades poblacionales in planta en comparación con la cepa silvestre [145]. Otro patovar de P. syringae de gran interés es P. syringae pv. actinidiae, responsable de causar la enfermedad del chancro bacteriano del kiwi [146]. Se ha demostrado que los quimiorreceptores PscA, PscB y PscC de P. syringae pv. actinidiae reconocen aminoácidos y son responsables de generar quimiotaxis atrayente hacia estos quimioefectores [147]. Análisis transcripcionales durante etapas tempranas de infección de plantas de kiwi empleando la cepa P. syringae pv. actinidiae ICMP 18884 como modelo, permitieron identificar dos quimiorreceptores cuya expresión se encontraba inducida [148]. Se desconoce la función de ambos receptores pero las actuales hipótesis sugieren que tienen un papel clave en la interiorización bacteriana, por ejemplo, a través de los estomas [148].
Ralstonia solanacearum
R. solanacearum es uno de los fitopatógenos bacterianos de mayor relevancia a nivel mundial. Presenta un elevado espectro de huéspedes de importancia agrícola como, por ejemplo, patata, tabaco, tomate, berenjena y plátano, entre otros [134]. Infecta a las plantas mediante heridas en la raíz o por sitios de emergencia de raíces secundarias. Una vez efectuada la interiorización, la bacteria alcanza el xilema, en donde genera grandes densidades celulares, ocasionando el marchitamiento y finalmente la muerte de la planta [134].
Se ha demostrado que la motilidad es necesaria para la invasión y patogenicidad de R. solanacearum en plantas de tomate [38]. Asimismo, el papel de la quimiotaxis en la virulencia de esta bacteria se demostró mediante la caracterización de cepas mutantes deficientes en genes que codifican las proteínas CheA y CheW. Estos mutantes son no quimiotácticos y mostraron una virulencia en plantas de tomate significativamente inferior a la que presentaba la cepa silvestre y no diferenciable de la virulencia de una cepa mutante deficiente en la síntesis de flagelo [149]. R. solanacearum es atraída quimiotácticamente por diversos aminoácidos, ácidos orgánicos, ácidos aromáticos hidroxilados y ácido jasmónico [149, 150]. Es de subrayar que ensayos de quimiotaxis empleando exudados radiculares de distintas plantas sugirieron que las cepas de R. solanacearum presentan especificidad de huésped a través del reconocimiento de distintos componentes presentes en los exudados radiculares. En particular, empleando R. solanacearum K60 (patógeno de tomate) como modelo, se observó que esta cepa presenta una mayor quimiotaxis hacia exudados de tomate con respecto a exudados de una planta no huésped como el arroz [149].
El análisis genómico de diferentes cepas de R. solanacearum reveló que presentan entre 20 y 22 quimiorreceptores (Tabla 1), estando la mayor parte de ellos sin caracterizar. Los quimiorreceptores McpA, McpM y McpT generan quimiotaxis hacia aminoácidos, L-malato y D-malato, respectivamente [151, 152]; mientras que los receptores McpC y McpP son responsables de mediar quimiotaxis hacia citrato [153]. Además, se ha demostrado que McpP es responsable de la quimiotaxis repelente hacia maleato y atrayente hacia fosfato inorgánico [154]. Ensayos con cepas mutantes deficientes en los quimiorreceptores McpA y McpM mostraron que el mutante mcpM presentaba una menor respuesta quimiotáctica hacia exudados radiculares de tomate con respecto a la cepa silvestre [151]. Además, el mutante mcpM resultó ser menos virulento en plantas de tomate que la cepa parental [151]. En cambio, las mutaciones en mcpT, mcpC o mcpP no alteraron la fitopatogeneicidad de R. solanacearum [152]. Se ha estudiado el papel de los quimiorreceptores de aerotaxis Aer1 y Aer2 en la virulencia de R. solanacearum, observándose que tanto el mutante simple aer2 como el mutante doble aer1-aer2 presentaban un retraso en el desarrollo de la enfermedad en plantas de tomate [155].
CONCLUSIONES
Las vías de quimioseñalización son uno de los sistemas de transducción de señales más abundantes en bacterias, permitiendo a éstas responder frente a múltiples señales ambientales. Su importancia queda reflejada por el hecho de que aproximadamente la mitad de las bacterias secuenciadas presentan vías de quimioseñalización [6, 43], siendo la principal función de estas vías la regulación de procesos quimiotácticos [6]. Asimismo, existen diversos estudios que correlacionan el número de quimiorreceptores codificados en los genomas bacterianos con el estilo de vida de las bacterias correspondientes [42, 43]. De hecho, el análisis de aproximadamente 12000 genomas ha revelado que las bacterias asociadas a plantas presentan, por término medio, el doble de quimiorreceptores por genoma con respecto a las bacterias con estilos de vida alternativos (160). Los datos existentes actualmente son indicativos de que la quimiotaxis hacia aminoácidos, ácidos orgánicos y azúcares es de enorme importancia para la eficiente colonización de plantas por fitobacterias, tanto beneficiosas como patógenas [60, 83, 89, 111, 131, 142, 151, 156] (Fig. 2). Asimismo, muchos de los quimiorreceptores presentes en bacterias asociadas a plantas son altamente específicos de bacterias que presentan un estilo de vida asociado a hospedadores vegetales [43], lo que sugiere que estos receptores podrían reconocer específicamente compuestos derivados de plantas. En su conjunto, los datos disponibles actualmente destacan que la quimiotaxis es de especial importancia para el establecimiento de interacciones entre plantas y bacterias. En esta compleja interacción, el reconocimiento de señales específicas de origen vegetal jugaría un papel clave. Actualmente estamos al inicio de poder descifrar la naturaleza de estas señales vegetales y se prevé que los años próximos serán extraordinariamente prolíficos en cuanto a la identificación y caracterización de nuevos quimiorreceptores de relevancia para el establecimiento de interacciones planta-bacteria.
CONFLICTOS DE INTERÉS
Los autores declaran no tener conflictos de interés.
AGRADECIMIENTOS
Esta publicación es parte de los proyectos de I+D+i PID2020-112612GB-I00 (a Tino Krell) y PID2019-103972GA-I00 (a Miguel A. Matilla) financiados por MCIN/ AEI /10.13039/501100011033, y el proyecto de financiado por la Junta de Andalucía P18-FR-1621 (a Tino Krell). Salvador Muñoz-Mira ostenta una beca JAE-Intro del CSIC (Ref. JAEIN T_21_02263).
Abreviaturas: DUL, dominio de unión a ligandos; ISR, induced systemic resistance o resistencia sistémica inducida; PPS, proteína periplásmica de unión a sustratos; PGPR, plant growth promoting rhizobacterium o rizobacteria promotora del crecimiento vegetal.
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