Pescar genes de interés en el campo: estudios de asociación genética de patógenos de plantas en el siglo XXI

El objetivo más codiciado de todo fitopatólogo, es decir, de toda persona que estudia las enfermedades de plantas, es la búsqueda de los genes que determinan los caracteres más importantes de los patógenos. Estos pueden ser los genes responsables de la patogenicidad, los genes que confieren resistencia a productos químicos como fungicidas o antibióticos, o los genes que determinan la adaptación a condiciones extremas, en particular al cambio climático. Para perseguir ese tan anhelado objetivo, los fitopatólogos hemos aprovechado los avances tecnológicos tanto en el laboratorio como en computación. Hemos secuenciado genomas, transcriptomas (perfil de expresión génica de una célula o tejido en un momento determinado) y hemos analizado metabolomas y proteomas (conjunto de metabolitos y proteínas, respectivamente, producidos por una célula o tejido en un momento determinado) para descubrir los genes, proteínas o metabolitos responsables de una característica dada.

Los impactos económicos de este patógeno son importantes, pues generan graves problemas socioeconómicos y considerables pérdidas en la producción de los cultivos en diferentes regiones del mundo [7]. Se estima que cerca del 80% de la producción puede malograrse en cada ciclo de cosecha y alrededor de 5000 millones de dólares se pierden anualmente en estos cultivos debido a la presencia del patógeno [4]. En Colombia se estima que un productor debe destinar en promedio cerca del 5% de los gastos totales de producción al control químico de la gota de la papa [8]. Dada la importancia del cultivo de papa a escala mundial, el patógeno se ha considerado uno de los principales causantes de pobreza en las regiones productoras, pues incrementa los problemas de seguridad alimentaria en todo el mundo [9]. Por todo lo anterior, muchos investigadores alrededor del mundo investigan varios aspectos de este patosistema, patógeno-hospedero.

Una de las estrategias más comunes en la actualidad para la identificación de genes asociados con caracteres fenotípicos es el análisis GWAS. Como dijimos en la introducción, el GWAS tiene por objetivo buscar las asociaciones estadísticamente significativas entre regiones genómicas y fenotipos.En pocas palabras, necesitamos, por un lado, determinar el fenotipo de un grupo de cepas del patógeno y, por otro lado, determinar los genotipos de cada una de ellas.

Hablemos de fenotipificación, tal vez el concepto más fácil de entender, pero también el proceso más costoso y laborioso de hacer en el laboratorio. El fenotipo es la manifestación visible de un grupo de genes en un ambiente dado, por ejemplo, el color de una flor. En el caso particular de la resistencia y susceptibilidad a fungicidas, debemos, para cada cepa, establecer cómo es su respuesta a diferentes concentraciones del producto químico. La manera más común de determinar el fenotipo de respuesta a un fungicida es determinar el crecimiento relativo de una cepa expuesta a una concentración dada con respecto al crecimiento de la misma cepa que crece en el mismo medio, pero sin fungicida. Al final, tendremos una gran base de datos con el porcentaje de crecimiento relativo al control (medio sin fungicida) de cada cepa en cada concentración del producto, con lo que se logra así la fenotipificación.

Los estudios de asociación han arrojado resultados muy interesantes y prometedores en el área de las enfermedades humanas, lo que permite encontrar genes previamente desconocidos, pero que son responsables de los fenotipos (caracteres de interés) [11]. En el caso de plantas, los análisis de GWAS o estudios de mapeo por asociación —como también se pueden llamar este tipo de estudios— han permitido hacer avances significativos en el mejoramiento genético, por ejemplo, la producción de plantas de maíz con niveles más elevados de betacarotenos [12]. En otro estudio, se usaron 413 genotipos de arroz de 82 países y 44100 variantes de tipo SNP para encontrar asociaciones con 34 rasgos fenotípicos involucrados en la morfología y el desarrollo de la planta y la calidad del grano entre otros [13]. En un estudio reciente, se analizaron 184 genotipos de trigo con 9503 marcadores SNP que fueron seleccionados de un total de 35153 para encontrar regiones del genoma del trigo relacionadas con la concentración de zinc y hierro y el contenido de proteína en los granos. El fin es mejorar la biofortificación del trigo y contribuir así a aumentar los aportes nutricionales de este cereal a la dieta humana [14].

En el estudio de la relación patógeno-hospedero son pocos los ejemplos que encontramos. Entre ellos, es más común encontrar estudios sobre características de la planta hospedera que sobre características del patógeno. En los últimos años, varios estudios en arroz [15], soya [16], caña [17], entre otros, se han publicado con el objetivo de encontrar genes de resistencia a diferentes patógenos. Sin embargo, algunos estudios se han publicado para el patógeno, y en ellos se busca determinar varios genes responsables de los daños que causan los patógenos a los cultivos. Al hacer una búsqueda en la página de las publicaciones periódicas de la American Phytopathological Society (APS), con la palabra clave GWAS, encontramos algunos ejemplos de estudios de asociación en patógenos de plantas. Si bien no haremos un listado detallado de cada referencia, sí es pertinente mencionar los genes que los investigadores buscan determinar: factores de virulencia y de patogenicidad; genes de agresividad; de sensibilidad a azoles (un grupo químico de fungicidas); y de producción de deoxinivalenoles.

En el año 2020, publicamos el primer estudio —hasta la fecha— que intenta encontrar asociaciones significativas a escala genómica en un panel de 58 aislamientos de P. infestans de los Estados Unidos y México para tres fenotipos de relevancia para el manejo y la predicción de la enfermedad: crecimiento del micelio a temperaturas cada vez más cálidas; sensibilidad al fungicida mefenoxam; y tipo de apareamiento [18]. Se realizaron pruebas de asociación de todo el genoma para cada uno de los fenotipos, al utilizar variantes genómicas recuperadas por el método de genotipificación por secuenciación para obtener información sobre la base genómica de estos fenotipos. Como se mencionó, el tamaño de la muestra es de suma importancia para aumentar la tasa de descubrimiento de asociaciones. Sin embargo, la caracterización fenotípica con alta exactitud y precisión es costosa y requiere mucho tiempo, lo que limita el número de aislamientos que se pueden incluir en este tipo de estudios. La reproducción asexual de P. infestans permite mantener varias replicas (clones) de un genotipo en un mismo ambiente o en ambientes diferentes. Esto permitió una fenotipificación mucho más precisa ya que la cantidad de variación inducida por el medio ambiente se puede estimar y tener en cuenta en el análisis de asociación [19].

El estudio de enfermedades de gran importancia, como el tizón tardío de la papa, debe abordarse teniendo en cuenta todos los actores involucrados: ambiente, planta y patógeno. En este último caso, el control de patógenos que están adaptados a varios hospederos y que tienen una gran capacidad de cambio por la posibilidad que tienen de generar muchos individuos por cada ciclo de la enfermedad es una tarea difícil, pero al entender mejor la biología del patógeno, su genética y su comportamiento, daremos saltos importantes hacia el desarrollo de nuevas estrategias de control o, por lo menos, de mitigación de daños causados por estos organismos.