La naturaleza es inventiva: las plantas han desarrollado diversas sustancias con las que se protegen de parásitos o patógenos voraces. Como resulta ahora, algunas de estas sustancias de defensa son sorprendentemente producidas por diferentes plantas utilizando rutas sintéticas muy diferentes y usando diferentes enzimas. Como las plantas no están estrechamente relacionadas, los investigadores suponen que sus rutas metabólicas evolucionaron varias veces de forma independiente, pero con el mismo resultado.
Algunas especies de familias de plantas muy diferentes producen sustancias de defensa especiales, las llamadas benzoxazinoides, que son venenosas para muchos insectos y animales herbívoros. Las plantas también lo utilizan para repeler microorganismos. Además, los benzoxazinoides participan en la interacción entre plantas individuales, donde apoyan a sus parientes y dañan plantas no específicas. La ruta de síntesis de estos compuestos químicos derivados del indol implica al menos ocho pasos catalizados por otras tantas enzimas y se conoce desde la década de 1990, pero sólo para pastos monocotiledóneos como el maíz, el trigo y el centeno.
Sin embargo, los benzoxazinoides están presentes en muchas otras especies de plantas que están evolutivamente distantes entre sí. Hasta ahora no se sabía cómo estas plantas producían las sustancias defensivas; Varios intentos de dilucidar sus rutas metabólicas han fracasado. Sin embargo, se supone que difieren de la biosíntesis del maíz.
¿Por qué plantas tan diferentes pueden producir las mismas sustancias?
Un grupo de investigación dirigido por Matilde Florean, del Instituto Max Planck de Ecología Química, ha estudiado la ruta de síntesis de los benzoxazinoides en dos de estas especies vegetales muy lejanas: la planta cebra (Aphelandra squarrosa) y la ortiga dorada común (Lamium galebodolon). Mientras que la primera es una planta de interior y produce benzoxazinoides principalmente en las raíces, la segunda crece en los bordes de los bosques y produce estas sustancias en todas las partes de la planta. Para ambas especies de plantas, los investigadores analizaron sus ingredientes o productos metabólicos (intermedios) y la totalidad de sus genes activos en todas las partes de la planta.
Los científicos compararon estos datos entre los distintos órganos de la planta cebra y con especies estrechamente relacionadas de ortiga dorada, que no producen benzoxazinoides. A partir de ello identificaron 90 o 57 genes que podrían estar implicados en la formación de estos compuestos. Luego los introdujeron en plantas de tabaco (Nicotiana benthamiana) y estudiaron si los genes participan realmente en la formación de benzoxazinoides y qué enzimas producen.
La comparación reveló que en las dos plantas examinadas, en comparación con el maíz, enzimas completamente diferentes son responsables de la formación de benzoxazinoides. “En el maíz, una serie de enzimas citocromo P450 estrechamente relacionadas realizan pasos específicos en la vía metabólica. En las otras dos especies de plantas, sin embargo, están activas otras clases de enzimas, así como otras enzimas del citocromo P450″, explica el autor principal Tobias Köllner, del Instituto Max Planck de Ecología Química. Por ejemplo, las especies estudiadas utilizan un sistema dual- funcionan como monooxigenasa que contiene flavina durante dos pasos de oxidación consecutivos en lugar de dos enzimas citocromo P450 diferentes como en las hierbas.
Evolución paralela de las vías metabólicas.
Los investigadores afirman que es sorprendente que haya tanta variedad de enzimas que lleven a cabo las mismas reacciones. Concluyen que la biosíntesis de estas sustancias se ha desarrollado de forma independiente varias veces durante la evolución de las plantas. Esto es inusual en botánica, ya que los grupos conservados de sustancias, como las sustancias defensivas, suelen tener el mismo origen evolutivo: una planta prehistórica solía desarrollar una forma de producir estas sustancias. Posteriormente, sus descendientes y las especies que desarrollaron desarrollaron y modificaron aún más esta tecnología.
En este caso, la ortiga dorada y la ortiga cebra han reinventado la proverbial rueda en forma de sustancias defensivas: en el reino vegetal esto es más bien una excepción. «Nuestro trabajo muestra cuán flexible puede ser el metabolismo de las plantas: pueden inventar de forma independiente estrategias muy diferentes para producir los mismos compuestos químicos», dice la coautora Sarah O’Connor del Instituto Max Planck de Ecología Química. Esto ha sucedido al menos tres veces en la historia evolutiva de los benzoxazinoides, como muestra su estudio. En el futuro, el equipo quiere dilucidar la síntesis de estos compuestos en otras familias de plantas.
Fuente: Matilde Florean (Instituto Max Planck de Ecología Química) et al., Actas de la Academia Nacional de Ciencias (PNAS), doi: 10.1073/pnas.2307981120
