Se revisan los avances realizados en la caracterización de los genes que codifican para ciertas familias de proteínas vegetales que son tóxicas o inhibitorias frente a insectos, hongos y bacterias. La caracterización incluye el estudio in vitro de las propiedades de las proteínas purificadas y la experimentación in vivo con plantas transgénicas que expresan los genes correspondientes

Carbonero Zalduegui, Pilar

García Olmedo, Francisco

Archivo Digital UPM

Genes de defensa en plantas

Servicio de Coordinación de Bibliotecas de la Universidad Politécnica de Madrid

GENES DE DEFENSA EN PLANTAS 
P. CARBONERO 
Feo. GARCÍA OLMEDO 
Laboratorio de Bioquímica y Biología Molecular. Departamento de Biotecnología-UPM 
Escuela Técnica Superior de Ingenieros Agrónomos. 28040 Madrid 
, , r ^ U - RESUMEN ,i! 
Se revisan los avances realizados en la caracterización de los genes que codifican para ciertas fami-
lias de proteínas vegetales que son tóxicas o inhibitorias frente a insectos, hongos y bacterias. La carac-
terización incluye el estudio in vitro de las propiedades de las proteínas purificadas y la experimenta-
ción in vivo con plantas transgénicas que expresan los genes correspondientes. 
PALABRAS CLAVE: FALTA 
INTRODUCCIÓN 
Las plantas poseen genes cuyos productos son tóxicos o inhibitorios para otros 
sistemas biológicos, tales como insectos o patógenos, y a los que se les supone un 
papel de defensa. En el presente trabajo se revisan de forma sucinta las investiga-
ciones realizadas en nuestro laboratorio sobre diversas familias de genes con las 
mencionadas características (Carbonero et al, 1993; Carmona et al, 1993; García 
Olmedo et ai, 1987, 1989, 1992). 
Inhibidores de enzimas digestivas de insectos 
Se han caracterizado más de 20 miembros de una familia de inhibidores pro-
teicos del endospermo de los cereales que presentan actividad frente a enzimas 
hidrolíticas (a-amilasas y proteasas) del tracto digestivo de insectos fitófagos 
(Carbonero et al, 1993; Gutiérrez et al, 1990). Ciertos miembros de esta familia 
de proteínas son también los principales alérgenos responsables del «asma del 
panadero» (Sánchez-Monge et al, 1992). Los genes de esta familia han sido loca-
lizados en cinco de los siete grupos de cromosomas homeólogos de estas especies 
y codifican para subunidades proteicas que pueden funcionar como monómeros, 
homodímeros, o heterotetrámeros, en el caso de los inhibidores de a-amilasas, o 
como monómeros, en el caso de los de tripsina. 
Se han realizado estudios detallados in vitro de las variaciones de especifici-
dad de las distintas variantes de inhibidores con respecto a las enzimas hidrolíticas 
de una amplia gama de insectos (Gutiérrez et al, 1990). A partir de los datos de la 
secuencia N-terminal de estas proteínas purificadas se han podido clonar muchos 
de estos genes (Carbonero et al, 1993¡) y se han expresado transgénicamente en 
tabaco. En la Tabla 1 se muestran los resultados de experimentos in vivo realiza-
dos con un inhibidor de tripsina y otro de oc-amilasa (en colaboración con-el Dr. 
P. Castañera). Tanto las observaciones con enzimas de insectos in vitro como 
dichos resultados in vivo son congruentes con el papel de defensa propuesto y 
Invest. Agrar.: Fuera de Serie n.° 2 - Diciembre 1994 
170 P. CARBONERO, Feo. GARCÍA OLMEDO 
TABLA 1 
BIOENSAYO DE DISCOS FOLIARES DE TABACOS TRANSGENICOS 
FRENTE AL INSECTO AGROTIS ÍPSILON 
Foliar disc bioassay oftransgenic tobáceo versus the insect Agrotis ípsilon 
Dieta 
TABACOS TRANSGENICOS 
Inhibidor Tripsina Cebada (CMe) 
planta n.° 2 
planta n.° 3 
planta n.°4 
planta n.° 6 
Inhibidor a-amilasa Trigo (0,28) 
planta n.° 7 
planta n.° 8 
planta n.° 9 
plantan.0 12 
CONTROLES 
Tabaco sin transformar 
Dieta artificial 
% mortandad (L1-L3)* 
. .., 
22,6 
62,8** 
52,5** 
30,0** 
• 
72,7** 
17,4 
30,3** 
57,0** 
15,0 ' ! - J ' 
14,5 
* Ll = estadio larvario 1, L3 = estadio larvario 3. Ll = larval stage 1; L3 = larval stage 3 
** Mortandad significativamente superior a los controles. Death rates significantly higher than those 
of controls 
demuestran el potencial de la utilización de estos genes en la mejora de plantas por 
ingeniería genética. > • :>:••,••'•-.••'"> ; ' ^> . > ..••.. 
Proteínas activas contra patógenos bacterianos y fúngicos 
Se ha adoptado una estrategia general para la identificación de posibles proteí-
nas y genes de defensa y para la utilización de estos últimos en la obtención de 
plantas transgenicas resistentes a las enfermedades. Se han seguido las siguientes 
etapas: 
i) Purificación sistemática de proteínas vacuolares y de pared celular a par-
tir de distintos taxa y selección de las que mostraban propiedades antimi-
crobianas. 
ii) Caracterización de sus interacciones in vitro con distintos patógenos indi-
vidualmente o en combinación. 
iii) Determinación de las secuencias de aminoácidos N-terminales de estas 
proteínas. 
iv) Clonaje de los cDNAs y de los DNAs genómicos correspondientes. 
v) Estudio de la expresión de estos genes durante el desarrollo normal y en 
respuesta a patógenos. 
vi) Expresión transgénica de dichos genes en fondos genéticos apropiados, 
vii) Ensayo de las plantas transgenicas frente a patógenos apropiados. 
Se han identificado una serie de familias proteicas que representan distintos 
mecanismos de defensa, así como actividades diferenciales frente a distintos 
-,:•»-- '.i, imi/'-l : . T , 
GENES DE DEFENSA EN PLANTAS 171 
patógenos bacterianos y fúngicos (Molina et al, 1993; Segura et al, 1993; More-
no et al, 1994; Piñeiro et al, 1994). Las distintas proteínas pueden complemen-
tarse y actuar sinérgicamente (Molina et al, 1993). Existe variabilidad en la sus-
ceptibilidad de distintas cepas de una misma especie de patógeno frente a una 
proteína dada. Se han obtenido mutantes bacterianos resistentes a proteínas de 
defensa y se han clonado los genes mutados (Titarenko y Rodríguez-Palenzuela, 
en preparación). 
La expresión transgénica de genes de defensa bajo promotores constitutivos 
aumenta la resistencia a patógenos en fondos genéticos apropiados (Carmona et 
al, 1993). En el desarrollo normal de la planta, la expresión de estos genes y la 
distribución de las correspondientes proteínas son congruentes con el papel de 
defensa (Molina, García Olmedo, 1993; Segura et al, 1993; Moreno et al, 1994). 
La respuesta de estos genes a distintos tipos de estrés, tanto bióticos como abióti-
cos, en el caso de la cebada, se resume en la Tabla 2. 
TABLA 2 
RESPUESTA (n x NIVEL BASAL DE mRNA) DE GENES DE DEFENSA 
EN CEBADA A ESTÍMULOS ABIOTICOS Y A PATÓGENOS 
(C/I, COMPATIBLE/INCOMPATIBLE; - , SIN EFECTO) 
Responses (n x basal mRNA levéis) of déjense genes in barley to abiotic stimuli 
and pathogen infection (C/I, compatible/incompatible; -, no effect) 
Tratamientos 
ABIOTICOS/cv Bomi 
Salinidad 
Frío 
Sequía 
Herida 
Metil-jasmonato 
Acido abscísico 
Etileno 
Ethephon 
Salicilato 
Ac. Isonicotínico 
PATOGENO/cv 
Erysiphe graminis 
(Av6)/Pallas 
(vir6)/Pallas 
Rjycosp. secalis** 
/Atlas46 
/Atlas ; 
/Turk 
/Hannchen 
Pseudomonas syringae 
(153)/Bomi 
(DC3000)/Bomi 
C/I** 
I 
C 
I 
c I 
c 
I 
c 
Ltp2 
2 
' • _ • 
-
,05 
5 
s •> -
— 
-
3 
3 
3 
-
4 
-
-
Ltp3 
-
. _- , 
-
,06 
2 
: Í**H 
— 
-
3 
3 
-
-
-
-
Ltp4 
2 
-
-
,10 
3 
r -
— 
-
9 
8 
10 
-
16 
-
-
Genes*** 
Grl l 
2 
4 
-
0 
2 
-
-
-
7 
7 
5 
5 
5 
5 
-
Gr21 
-
3 
-
0 
-
-
-
5 
4 
4 
4 
4 
4 
-
Th 
-
-
4 
20 
3 
-
-
2 
3 
3 
4 
4 
-
-
5 
Prl 
-
-
-
0 
7 
-
3 
7 
6 
6 
10 
-
20 
-
4 
* Filtros para análisis Northern de L. Boyd (Norwich) y ** de W. Knogge (Koln). Filters from L. 
Boyd (Norwich) and **W. Knogge (Koln) 
*** Proteínas de transferencia de lípidos (Ltp); Proteínas ricas en glicina (Gr); Tioninas (Th); Proteínas 
relacionadas con la patogénesis (Pr). Lipid transfer proteins (Ltp); glycin-rich proteins (Gr); thio-
nins (Th); pathogenesis-related proteins (Pr) 
Invest. Agrar.: Fuera de Serie n.° 2 - Diciembre 1994 
172 P. CARBONERO, Feo. GARCÍA OLMEDO 
Las observaciones anteriores muestran la plasticidad y el carácter combinato-
rio de la respuesta de los genes de defensa a estímulos externos y permiten intro-
ducir nuevos elementos en los modelos actuales de interacción patógeno/planta: 
a) Distintos genes de defensa pueden ser activados a través de rutas y/o 
receptores total o parcialmente independientes, una combinación de los 
cuales se activa por cada patógeno. 
b) Genes de defensa que se expresan basalmente en el desarrollo normal pue-
den ser inactivados por señales de supresión producidas por el patógeno. 
c) La respuesta inducida por ser gratuita si las proteínas inducidas no son 
activas frente al patógeno inductor. 
d) La interacción compatible puede resultar no sólo del fallo por parte de la 
planta de reconocer una cepa dada del patógeno, sino también de la capaci-
dad de dicha cepa de ser resistente a las proteínas inducidas. 
e) Los niveles básales de expresión de los genes de defensa pueden ser res-
ponsables de los niveles básales de resistencia por un mecanismo no 
mediado por la reacción hipersensible. 
f) Las mismas proteínas de defensa pueden involucrarse en las situaciones 
descritas (a-e). 
'•/]\"ij':n''";- •!vro',r.,)¡ 
SUMMARY '- •"' '•' •'v-' 
Defense Genes in Plants 
Advances in the characterization of genes encoding proteins that are toxic or inhibitory towards 
insects, fungi in bacteria, are reviewed. These involve studies of the in vitro properties of the purified 
proteins and in vivo experiments with transgenic plants expressing the corresponding genes. 
KEY WORDS: Falta 
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS 
CARBONERO P., SALCEDO G., SANCHEZ-MONGE R., GARCIA-MAROTO F., ROYO J., 
GÓMEZ L., MENA M., MEDINA J., DÍAZ I., 1993. A multigene family from cereals which enco-
des inhibitors of trypsin and heterologous oc-amylases. In Innovations in Proteases and their inhibi-
tors (Aviles F. X., ed.) pp. 333-348. Walter de Gruyter. Berlín, New York. 
CARMONA M. J., MOLINA A., FERNANDEZ J. A., LOPEZ-FANDO J. J., GARCÍA-OLMEDO F., 
1993. Expression of the oc-thionin gene from barley in tobáceo confers enhanced resistance to bac-
terial pathogens. Plant J 3: 457-462. 
GARCÍA-OLMEDO F., CARMONA M. J., LOPEZ-FANDO J. J., FERNANDEZ J. A., CASTAGNA-
RO A., MOLINA A., HERNANDEZ-LUCAS C , CARBONERO P., 1992. Characterization and 
analysis of thionin genes. In Genes involved in plant defense (Boller T., Meins F., eds.) Plant Gene 
Research, pp. 283-302. Springer-Verlag. Wien, New York. 
GARCÍA-OLMEDO F., RODRIGUEZ-PALENZUELA P., HERNANDEZ-LUCAS C , PONZ F., 
MARAÑA C , CARMONA M. J., LOPEZ-FANDO J. J., FEMANDEZ J. A., CARBONERO P., 
1989. The thionins: a protein family that includes purothionins, viscotoxins and crambins. Oxford 
Surveys Plant Mol Cell Biol 6: 31-60. 
GARCÍA-OLMEDO F., SALCEDO G., SANCHEZ-MONGE R., GÓMEZ L., ROYO J., CARBONE-
RO P., 1987. Plant proteinaceous inhibitors of proteinases and a-amylases. Oxford Surveys Plant 
Mol Cell Biol 4: 275-334. 
GUTIÉRREZ C , SANCHEZ-MONGE R., GÓMEZ L., RUIZ-TAPIADOR M., CASTAÑERA P., 
SALCEDO G., 1990. a-Amylase activities of agricultural insect pests are specifically affected by 
different inhibitor preparations from wheat and barley endosperm. Plant Sci 72: 37-44. 
..:';iH :.u 
GENES DE DEFENSA EN PLANTAS 173 
MOLINA A., GARCÍA-OLMEDO F., 1993. Developmental and pathogen-induced expression of three 
geness encoding lipid transfer proteins in barley. Plant J 4: 893-991. 
MOLINA A., SEGURA A., GARCÍA-OLMEDO F., 1993. Lipid transfer proteins (nsLTPs) from bar-
ley and maize leaves are potent inhibitors of bacterial and fungal plant pathogens. FEBS Lett 316: 
119-122. 
MORENO M., SEGURA A., GARCÍA-OLMEDO F., 1994. Pseudothionin-Stl, a potato peptide active 
against potato pathogens. Eur J Biochem (in press). 
PIÑEIRO M., GARCÍA-OLMEDO F., DÍAZ I., 1994. Redox modulation of the expression of bacterial 
genes encoding cysteine-rich proteins in plant protoplasts. Proc Nati Acad Sci USA 91: 3867-3871. 
SANCHEZ-MONGE R., GÓMEZ L., BARBER D., LOPEZ-OTIN C , ARMENTIA A., SALCEDO 
G., 1992. Wheat and barley allergens associated with baker's asthma. Biochem J 281: 401-405. 
SEGURA A., MORENO M., GARCÍA-OLMEDO F., 1993. Purification and antipathogenic activity of 
lipid transfer proteins (LTPs) from the leaves of Arabidopsis and spinach. FEBS Lett 3: 243-246. 
\
 ;í 
Invest. Agrar.: Fuera de Serie n.° 2 - Diciembre 1994 


Genes de defensa en plantas

Abstract

Similar works

Full text

Available Versions

Archivo Digital UPM

Servicio de Coordinación de Bibliotecas de la Universidad Politécnica de Madrid