miércoles, 24 de diciembre de 2008

OBSERVACIONES SOBRE EL ORIGEN DE LAS FORMAS PATOGENAS DE Fusarium oxysporum f.sp. cubense Schlt.(Mal de Panama del Banano.)



Eduardo A. Esquivel R.



Generalidades:


Este trabajo consiste en una revision de literatura comentada sobre los posibles origenes del patogeno causante del Mal de Panama, Fusarium oxysporum f. sp. cubense, basado en los estudios mas recientes de la biologia y genetica del hongo.



Fusarium oxysporum

El Fusarium oxysporum Schlechtend. Fr. es un ubicuo complejo cosmopolita de hongos del suelo, patógenos y no patógenos. Esta especie esta ubicada en la sección “Elegans” de la clasificación de Wollenweber y Reiking (1935). Aunque su teleomorfo es desconocido, los análisis filogenéticos de secuencias de ADN , colocan a este complejo ambiguamente en el cladon Gibberella, cercano al complejo de especies de Gibberella fujikuroi . Se han descrito mas de 150 “formae speciales” con huéspedes específicos en el Complejo Fusarium oxysporum, cada una de ellas consistiendo en uno o mas grupos de compatibilidad vegetativa (VCGS), y distintas razas patogénicas. Los VCGS parecen representar linajes clonales y generalmente tienen un único polimorfismo de longitud de fragmentos de restricción (RFLP), y única huella de Amplificación al azar de fragmentos de ADN (RAPD). Las bases genéticas de la especificad hacia determinado huésped (Formae especiales) y especificidad de cultivares (Razas fitopatogenicas) en Fusarium oxysporum son aun desconocidas. Sin embargo, el estudio de las “forma especiales” sugiere que debió existir un único ancestro común del que todas las VCGS, y razas dentro de las forma especiales se han derivado.(Monofilia). Por otro lado, múltiples VCGS y razas dentro de forma especiales pueden haber tenido múltiples independientes orígenes, con la patogenicidad y virulencia envolviendo más de uno a través de la mutación o transposición o extendiéndose a linajes distantes relacionados a través de la parasexualidad o transferencia genética horizontal. (Baayen et al ,2000).

Los recientes brotes de marchitez de Fusarium parece ser el resultado de una introducción reciente, mas que un origen independiente local del patotipo. La propagación asexual es la influencia dominante en la estructura de la población en F. oxysporum y la ausencia de reproducción sexual no parece ser un obstáculo para que este patógeno continue siendo un problema. (Gordon, T.R. 1997).

F. oxysporum f. sp. cubense


El Mal de Panamá o “Fusarium Wilt” causado por Fusarium oxysporum f. sp. cubense. (FOC) es considerada la enfermedad mas destructiva del cultivo del Banano y Plátano (Musa spp.). El patógeno se origino posiblemente en el sudeste de Asia, y fue reportada por primera vez en Australia en 1876. Ya en 1950 muy pocas regiones productoras de banano permanecían libres de la enfermedad. Antes de 1960, las principales plantaciones comerciales de banano del mundo eran de la variedad Gros Michell, altamente susceptible al hongo. Estas fueron prácticamente destruidas totalmente con perdidas de cientos de millones de dólares. Las plantaciones fueron sustituidas por cultivares del grupo Cavendish, que eran resistentes al hongo.

Se conocen actualmente cuatro razas del FOC, que son diferenciadas por su susceptibilidad a los hospederos. La Raza 1, o la original, que fue la responsable por la epidemia en las plantaciones de Gros Michel. Esta también ataca a los cultivares “Lady Finger” (AAB) y “Silk” (AAB). La Raza 2, que ataca a los “Plátanos” o “Cooking bananas”, como el Bluggoe (ABB). La Raza 3, que ataca el género Heliconia, y no es considerada patógeno de bananos, y la Raza 4, que ataca el grupo “Cavendish” (AAA), además de las variedades atacadas por las Razas 1 y 2. La Raza 4 ha sido dividida en dos sub-razas: la “Tropical”, que es la mas virulenta y que ataca el grupo “Cavendish” bajo cualquier condición. Y la “Subtropical” que solo causa daños en plantas que crecen en condiciones sub-optimas ( temperaturas bajas, suelos pobres, “stress” de agua.) Esta última raza solo se ha encontrado hasta ahora en el Sudeste de Asia y Australia.

Koenig et al (1997), analizaron una colección de 165 aislamientos de FOC procedente de varias partes del mundo, utilizando RFLP de un solo loci anónimo. Los resultados mostraron evidencia de un solo origen clonal de la estructura de la población. De los 165 aislamientos, solo 72 halotipos RFLP fueron identificados, y cerca de la mitad de los aislamientos fueron representados por los cinco halotipos más comunes. Individuos con halotipos idénticos tenían diversos orígenes geográficos, y las pruebas de desequilibrio gametico indicaron una asociación significativa no al azar entre los pares de alelos para 34 de los 36 loci analizados. Los análisis de parsimonia dividieron los haplotipos en dos ramas principales, que juntos contenían ocho clados respaldados por valores significativos (Bootstrap values) .

Esto fue confirmado posteriormente por O’Donell et al, (1998), en un estudio de cuatro forma especiales de F. oxysporum, incluyendo el F. oxysporun cubense, agente causal del Mal de Panamá, compararon las secuencias genéticas del núcleo y mitocondrias, y llegaron a la conclusión que el FOC se deriva de por lo menos cinco linajes con orígenes evolutivos diferentes. En este estudio se hicieron hallazgos importantes referentes a la filogenia y clasificación del Complejo Fusarium oxysporum. Este complejo esta fuertemente apoyado por la monofilectica, sin embargo, muchas “formae speciales” son polifilecticas y esto sugiere que la patogenicidad hacia el huésped ha evolucionado convergentemente. Si este es el caso, para F.oxysporum f.sp. cubense, entonces se debe esperar que cada linaje clonal tenga propiedades patogénicas únicas. Sin embargo, aislamientos de linajes clonales diferentes han sido encontrados en numerosas y diferentes frecuencias de genotipos de bananas, aun cuando estos cultivares de banana se encuentren plantados en el mismo campo.

Hasta hace poco, la genética del Fusarium oxysporum había sido poco estudiada. Las investigaciones mas recientes sobre la genética de los aislamientos patógenos y no patógenos de FOC, demuestran que muchos de ellos no tienen afinidad genética y muchos especialistas consideran que algunas “Formae speciales” son realmente especies diferentes del Fusarium oxysporum. (Bayeern,et al, 2000; Liebens, et al, 2007).



Los Transposones.

Un transposón es una secuencia de ADN que puede moverse autosuficientemente a diferentes partes del genoma de una célula, un fenómeno conocido como transposición. En este proceso, pueden causar mutaciones y cambio en la cantidad de ADN del genoma. Anteriormente fueron conocidos como "genes saltarines" y son ejemplos de elementos genéticos móviles. Se cree que los transposones son vestigios de retrovirus que en un remoto pasado invadieron los seres vivos.

Como en otros eucariotes, los elementos transponsables en los hongos son de tres clases. Los de Clase I, o retrotransposones que trasponen el ARN intermediario y emplean retrotrascriptasas, los de clase II, se mueven directamente de una posición a otra en el genoma usando una transcriptasa para "copipegarse" en otro locus del mismo y los de Clase III o MITES, “Elementos transposables miniaturas de inversión repetida”, Una cuarta clase de transposon, descubiertos mas recientemente. llamada Cripton, encontrada en hongos, son retrotransposones que utilizan como codificador la tirosina-recombinasa.

Los transposones son mutágenos, y pueden causar mutaciones de varias formas: si un transposon se inserta en un gene funcional, es muy posible que le cause un daño. la inserción dentro de introns, exons y aun en genes flanqueadores de ADN, pueden alterar o destruir la actividad del gen.

Las mutaciones se consideran como la principal fuente de la variación en las poblaciones naturales y es generalmente considerada un prerrequisito de la evolución. A pesar de que los elementos transposables son reconocidos como la mayor fuente de mutaciones espontáneas, el significado evolucionario de estas piezas móviles de ADN estuvo en un principio sujeto a debate entre los especialistas. Hoy día se reconoce que estos elementos son básicos en la generación de mutaciones e indispensables para la evolución. (McDonald, 1995).
Por cientos de millones de años, quizás desde el comienzo mismo de la historia de la evolución, las células eucarióticas han sido habitats o basureros de incontables generaciones de elementos transponsables (TES), preservados en secuencias repetidas de ADN. Los análisis de estas secuencias, combinados con la investigación experimental, revelan la historia de complejos “ecosistemas intracelulares” de elementos transposables que están asociados en forma inseparable con la evolución del genoma. (Jurka, 1998).


Los retrotransposons son los mas antiguos y abundantes en los genomas de plantas. Evidencias recientes indican que su actividad en muchas plantas esta restringida a tiempos de “stress”. La activación de los TES por el stress puede ser un factor significativo en la variación somaclonal. Los TES de repeticiones terminales largas y una segunda clase de elementos llamados “Elementos transposables miniaturas de inversión repetida” (MITES). han sido encontrados asociados a genes de diversas plantas donde algunos contribuyen a secuencias reguladoras. Debido a su secuencia diversificada y tamaño pequeño, los MITES son considerados un instrumento evolucionario invaluable para alterar los esquemas de expresión de los genes. (Wessler, et al. 1995).

Hua-Van et al (2000) , demostraron que varias familias de elementos transposables (TES), están presentes en el genoma del hongo fitopatogeno Fusarium oxysporum. Estos están presentes en números de copias que varían de unos pocos a cientos por genoma. Los análisis de las secuencias de uniones contiguas del ADN genomico que rodea los sitios de inserción en una familia revela que esta está empacado en secuencias repetitivas. Estos encontraron que la composición y ubicación de estas repeticiones en tres regiones cromosomaticas son esencialmente mezclas de varios tipos de TES, la mayoría de ellos transposons ADN, diferentes a los que se habían hallado anteriormente.

Posteriormente , Daviere et al. (2002) encontraron que la actividad de numerosas familias de TES en el genoma de FOC representa una fuente potencial de inestabilidad cariotipica. Siguiendo la transposición de dos elementos y analizando la distribución de diferentes familias de TES en cromosomas enteros, se encontró: 1) No hay evidencia de rompimiento de los cromosomas por la transposición, 2) Agrupamientos de TES en algunas regiones, y 3) Una correlación entre el alto nivel de polimorfismo cromosomatico y la concentración de TES. Estos resultados sugieren que el tamaño de los polimorfismos de los cromosomas son el resultado de una recombinacion ectopica entre TES que sirven como sustratos para estos cambios.

Los Transposones en FOC.

El genoma del Fusarium oxysporum contiene por lo menos seis diferentes familias de TES. En estos se han identificado representantes de transposones y retrotransposones de ADN, algunos por clonación de secuencias repetitivas dispersas ( Foret y Palm ), o por trampeo en el gene de nitrato-reductasa (Fot1, Fot2 ,Impala y Hop). El Fot1 y el Impala están relacionados con la familia de transposones Tc1 y Mariner. Estos TES pueden afectar la estructura y función del gen en muchas formas: inactivacion del gen por inserción, diversificación de la secuencia de nucleotidos por escisiones imprecisas y probablemente recombinaciones cromosomaticas como lo sugiere la extensa variación del cariotipo observada entre numerosos aislamientos de campo. La comparación de la distribución de estos elementos en poblaciones de Fusarium ha mejorado nuestra comprensión de la estructura poblacional y epidemiología, y ha provisto evidencias para la transferencia genética horizontal. ( Daboussi y Languin, 1994).

Conclusiones.

Las investigaciones en la biología y genetica del Fusarium oxysporum revelan que las variaciones del genoma del hongo referentes a su patogenicidad a plantas, tienen diversos origenes. Los estudios la compatibilidad vegetativa, y del ADN nuclear y ribosomal indican, inclusive, que varias “formae speciales” pueden ser especies diferentes.

Debido a que las formas comunes de Fusarium oxysporum son asexuales, y que en el Fusarium oxysporum existen linajes no patogenicos, inclusive coexistiendo con los patogenicos, se sospecha de que la patogenia y la especificidad patogenica hacia determinado huésped, se deriva de mutaciones causadas por transposones, por mecanismos aun no determinados con claridad.

Se sugiere que la evolucion del F. oxysporum hacia formas patógenas especificas (formae speciales), y razas patogenicas, responden a la interaccion huésped-patogeno de elementos geneticos transponibles. En este caso, por la adquisición de informacion genetica del huésped por parte del patogeno, y el sucesivo de desarrolo de genomas que resuelvan el problema de los mecanismos de resistencia de la planta huésped, a traves de recombinaciones aleatorias hechas por los TES.

El surgimiento de la Raza 4 del Fusarium oxysporum f. sp. cubense, se explicaria por este mecanismo. Ya sea que el FOC R4 se derive de alguna de las 3 razas anteriores, o de algún linaje no patogénico.




Referencias:

Baayen,R, O'Donnell,K., Bonants,P., Cigelnik,E., Kroon,L ., Roebroeck, E., and Waalwijk,C. (2000). Gene Genealogies and AFLP Analyses in the Fusarium oxysporum Complex Identify Monophyletic and Nonmonophyletic Formae Speciales Causing Wilt and Rot Disease. Phytopathology., Volume 90, Number 8.

Daboussi,M and Languin,T. (1994). Transposable elements in the fungal plant pathogen Fusarium oxysporum. Genetica. Volume 93, Numbers 1-3 .

Gordon, T. (1997) THE EVOLUTIONARY BIOLOGY OF FUSARIUM OXYSPORUM- Annual Review of Phytopathology- Vol. 35: 111-128

Hua-Van A, Davière JM, Kaper F, Langin T, Daboussi MJ. (2000) Genome organization in Fusarium oxysporum: cluster of class II transposons. Curr Genet. 2000 May;37(5):339-47.

Jurka, J. (1998) Repeats in genomic DNA: mining and meaning .
Current Opinion in Structural Biology. Volume 8, Issue 3, June 1998, Pages 333-337

Daviere,J.M. , Langin, T. and Daboussi, M. (2002), Potential Role of Transposable Elements in the Rapid Reorganization of the Fusarium oxysporum Genome.
Fungal Genetics and Biology.Volume 34, Issue 3, , Pages 177-192 .

Koenig,R. , Ploetz, R. and Kistler, H. ( 1997). Fusarium oxysporum f.sp. cubense consist of a small number of divergent an globally distributed clonal lineages. Phytopathology. 87: 915 -923

Liebens, B., Martijn, R. and Thomma, B. ( 2007). Recent developments in the molecular discrimination of formae speciales of Fusarium oxysporum. Pesticide Science . Volume 64 Issue 8, Pages 781 - 788
McDonald, J. (1995) Transposable elements: possible catalysts of organismic evolution.
Trends in Ecology & Evolution .Volume 10, Issue 3, March 1995, Pages 123-126

O’Donnell, K, Kistler, H. ,Cigelink, E. and Ploetz, R.C. (1998). Multiple evolutionary origins of the fungus causing Panama Disease of Banana; Concordant evidence from nuclear and mitochondrial gene genealogies. Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 95: 2004-2049.

Wessler, S., Bureau, T. and White, S. ( 1995). LTR-retrotransposons and MITEs: important players in the evolution of plant genomes . Current Opinion in Genetics & Development .Volume 5, Issue 6, December 1995, Pages 814-821 .

Wollenweber,H.W. and Reiking, O.A. ( 1935) Die Fusarien , ihre Beschreibung, Schadwirkung ung Bekampfung. Paul Parey. Berlin.