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El genetista de ARS Jiujiang Yu observa el progreso de secuenciar el genoma de Aspergillus flavus, en el Instituto J. Craig Venter, Centro Cooperativo de Tecnología, el cual apoya TIGR en secuenciar ADN.

Los hongos asesinos

Ellos son inodoros, invisibles y los venenos más potentes de naturaleza. Pero probablemente no ha oído hablar de ellos.

Ellos son "micotoxinas". Estos compuestos altamente carcinógenos son producidos por ciertas especies de los hongos Aspergillus y Fusarium. Si les dan las señales correctas, estos hongos del suelo—normalmente tranquilos—pueden atacar sus plantas hospederas, infestando los campos agrícolas. Arrojando toxinas, estos hongos pueden destruir cosechas vulnerables tales como maíz, cacahuetes, almendras y semilla de algodón.

En los años de sequía de 1983 y 1988, por ejemplo, micotoxinas costaron a los cultivadores de maíz en el medio-oeste de EE.UU. más de 280 millones de dólares en daño a sus cosechas. En los países en vía de desarrollo, gastos asociados con micotoxinas son más altos: cosechas contaminadas comprometen la salud humana y seguridad alimenticia.

Aunque el público está solamente comenzando a aprender sobre estos venenos, los científicos del Servicio de Investigación Agrícola (ARS) han estudiado las toxinas por muchos años. Este grupo de investigadores—en laboratorios en Nueva Orleáns, Luisiana; Athens, Georgia; Peoria, Illinois; y Albany, California—hace el grupo más grande en EE.UU. que lucha contra estos hongos. Este grupo está abordando los hongos de cada perspectiva posible.

Un pasado colorido

El patólogo de plantas Ed Cleveland dirige la Unidad de Investigaciones de la Seguridad de Alimentos y Pienso, la cual es parte del Centro de Investigación de la Región Sureña (SRRC por sus siglas en inglés) mantenido por el ARS en Nueva Orleáns. Él trata de aprender más sobre estos hongos potencialmente letales, los cuales todavía guardan muchos secretos.

En primer lugar, los investigadores no saben exactamente por qué los hongos producen las toxinas. "Las toxinas podrían proveer a los hongos una ventaja ecológica sobre otros microbios, pero no estamos seguros", Cleveland dice. "Sabemos que los hongos tienen un grupo grande de genes dedicados específicamente a la producción de toxinas".

Una micotoxina en la cual los investigadores del ARS tienen mucho interés es aflatoxina, nombrada por el hongo A. flavus que la hace. El químico de SRRC Kenneth Ehrlich sugiere que la producción de aflatoxina pudo haber sucedido por casualidad. Él ha descubierto que varios antepasados de Aspergillus tenían la capacidad genética de producir precursores de aflatoxina, pero que estos compuestos no fueron letales.

"De hecho", dice Ehrlich, "los compuestos son muy bonitos, ocurriendo en matices de rojo vivo, amarillo y moreno. Es posible que insectos pudieron haber sido atraídos a los pigmentos vívidos, como los insectos son atraídos a las flores. Los hongos habrían podido tomar paseos gratis alrededor del mundo, cortesía de los insectos".

El genetista Deepak Bhatnagar examina cepas mutantes pigmentadas de los hongos que producen alfatoxina. Los pigmentos provienen de compuestos producidos durante el síntesis de la toxina.

Pero, en alguna forma durante el camino, Ehrlich piensa, los hongos de repente se encontraron en un ambiente más hostil—uno que requirió que aumentará su repertorio químico para incluir más productos defensivos—es decir, productos venenosos.

Igualmente confuso es el hecho que mientras algunas especies de Aspergillus producen mucha toxina, otras no la producen. Aunque A. flavus es un productor prolífico de toxina, su pariente cercano, A. oryzae, es no sólo non tóxica, sino también se usa para hacer salsa de soya.

¿Por qué son estos hongos tan similares y tan diferentes? "Estamos progresando, poco a poco, hacia la respuesta para esa pregunta", dice Cleveland, refiriendose a los hallazgos recientes por el genetista de SRRC Jiujiang Yu y otros científicos en su unidad.

Resolviendo un misterio, por medio de los genes

Yu y sus colaboradores Gary Payne de la Universidad Estatal del Carolina del Norte en Raleigh, y Bill Nierman del Instituto para Investigaciones Genómicas (TIGR por sus siglas en inglés) en Rockville, Maryland, recientemente secuenciaron el genoma de A. flavus. Ellos crearon, por primera vez, un verdadero cianotipo genético del organismo. Anteriormente, Yu, Cleveland, Deepak Bhatnagar, y otros investigadores de SRRC ayudaron a los científicos japoneses a secuenciar todos los genes de A. oryzae, el hongo de grado alimenticio. Esta investigación fue publicada en la revista Nature en diciembre 2005.

"Hemos descubierto que los dos hongos son increíblemente similares", dice Yu. "Ellos comparten 98 por ciento o más del mismo material genético. Así que la diferencia grande que observamos, en términos de su producción de toxina, podría ser causada por unos cuantos genes".

Yu y sus colegas han acumulado otros hallazgos genéticos que están revelando más sobre la capacidad de los hongos para producir toxinas. "Hemos identificado 29 genes en A. flavus que hacen las enzimas críticas que son necesitadas para producir aflatoxina", él dice. Cada una de estas enzimas ayuda a producir productos químicos que son transferidos y modificados hasta que, por fin, la aflatoxina letal es creada.

Los investigadores también han creado "un genoma en un chip". En este chip de dos pulgadas—llamado un microarreglo—los científicos pueden poner los 13,000 genes de A. flavus. Esto permite que ellos puedan estudiar todos los genes del hongo simultáneamente, para que ellos puedan ver como uno, o varios al unísono, responden a varios estímulos.

Estudiando estos genes, los investigadores de SRRC piensan que pueden encontrar el "conmutador principal" en A. flavus—el gene que, cuando impedido, puede terminar la capacidad del hongo para producir toxinas. Con este conocimiento, los científicos podrían mover un gene a las cosechas vulnerables, dándoles a estas plantas protección contra hongos venenosos.

El bioquímico Kenneth Ehrlich aísla diferentes tipos de esporas de Aspergillus en estudios para determinar cómo ciertos pigmentos son hechos del hongo.

Maíz que resiste las toxinas, en camino

El maíz es una victima común de los hongos de Aspergillus, particularmente cuando está estresado por el calor. Esta es la razón por lo que la sequía puede significar problemas serios para esta cosecha. Y según el patólogo de plantas Bob Brown del SRRC, no hay líneas de maíz que son resistentes a la aflatoxina—y que están disponibles para los granjeros.

Pero desde al fines de la década 1980s, los científicos de ARS en Misisipí y Georgia y científicos de la Universidad de Illinois han descubierto varias líneas salvajes de maíz con resistencia a Aspergillus, Brown dice.

Muy lejos, en Nigeria, un genetista de maíz que se enteró de las líneas prometedoras pensó que él podría mejorar la colección de Brown. El genetista Abebe Mentir del Instituto Internacional de Agricultura Tropical en Ibadan envió a Brown unas de sus propias plantas de maíz. Estas plantas han desarrollado resistencia a la aflatoxina después de muchos años de exposición intensa al hongo en el medio ambiente de África occidental.

Ahora, después de siete años de colaboración y varias generaciones de plantas de maíz, los dos investigadores están listos para revelar los hallazgos de sus investigaciones. "Una vez que terminemos las evaluaciones finales, varias líneas para los cultivadores de maíz en América y África estarán listas para distribución", dice Brown.

Pero las investigaciones no han parado. Brown y el líder de investigaciones Cleveland siguen buscando la fuente de la resistencia de estas plantas a la aflatoxina. Ellos han encontrado varias proteínas que les dan a las líneas su ventaja competitiva.

Interesantemente, algunas de estas proteínas están más involucradas en cómo las plantas manejan el estrés general—tal como calor—que en cómo las plantas resisten los hongos que producen las toxinas. Usando un proceso llamado genética reversa, Brown primero identifica las proteínas beneficiosas y, segundo, encuentra los genes que causan la producción de estas proteínas. Él comparte estos hallazgos con los cultivadores de nuevas variedades, quienes pueden usar estas proteínas y genes identificados como marcadores para desarrollar plantas resistentes.

Fusarium: Otro hongo fatal

Es bastante malo que los hongos Aspergillus atacan las plantas de maíz. Pero otro hongo, Fusarium verticillioides, también produce micotoxinas letales en las semillas de maíz, además de pudrir las espigas y los tallos de maíz.

En la Unidad de Investigaciones de Micotoxinas de ARS en Peoria, Illinois, los científicos están más cerca de encontrar los genes que el hongo usa para producir fumonisin. Con esta información, ellos esperan identificar maneras nuevas de proteger el maíz contra contaminación—posiblemente con rociadas especialmente formuladas que pueden debilitar la capacidad de fusarium para producir la toxina.

El líder de investigación David Kendra está dirigiendo esta proyecto, junto con los científicos del ARS Darren Brown, Mark Busman, Robert Butchko, Ronald Plattner (retirado), y Robert Proctor. Colaboradores incluyen investigadores del Centro Richard B. Russell de Investigación, mantenido por el ARS en Athens, Georgia; la Universidad Purdue en West Lafayette, Indiana; el Instituto Broad de Cambridge, Massachussets; TIGR; y la empresa Nimblegen Co. de Madison, Wisconsin.

Desenredando poco a poco la composición genética de Fusarium, el grupo de Kendra ha acumulado miles de pedazos del ARN de F. verticillioides. Estos se llaman "etiquetas de secuencias expresadas" (ESTs por sus siglas en inglés). Consideradas juntas, estas secuencias proveen "fotos instantáneas" de la actividad de los genes mientras el hongo germina, esparce por el sistema vascular de la planta, o hace fumonisin, dice Kendra.

Después de usar la luz ultravioleta para inducir mutaciones, los microbiólogos Charles Bacon y Dorothy Hinton evalúan cajas de Petri conteniendo bacterias de Bacillus mojavensis para determinar el crecimiento de las bacterias en la presencia del ácido fusárico. Crecimiento en este medio significa resistencia al ácido fusárico.

Como los investigadores de SRRC, los científicos en Peoria también tratan de usar el poder de la tecnología de microarreglo. Esta máquina controlada por robot puede imprimir las ESTs en platinas de vidrio para hacer posible la observación de la actividad—o inactividad—de los genes. Actualmente sus intentos han producido 87,000 pedazos de EST—los cuales representan como 80 por ciento de los aproximadamente 15,000 genes de F. verticillioides. Con la ayuda de los científicos del TIGR, los investigadores del ARS están trabajando para asignar genes a estas varias secuencias.

El equipo científico ha descubierto que muchos de los mismos genes que el hongo usa para infectar el maíz de pienso también son activos en los ataques del hongo contra el maíz dulce. Además, ellos han descubierto que una cosecha infectada no es necesariamente contaminada. Y ellos han encontrado un nuevo gen de fumonisin—llamado FUM20—y nueve otros genes que podrían regular la producción de micotoxina.

Luchando contra los hongos con la bacteria

Mientras las toxinas de F. verticillioides pueden ser letales, investigadores en la Unidad de Investigaciones de Toxicología y Micotoxinas, mantenida por el ARS en Athens, Georgia, han encontrado que el hongo es un endófito de maíz. Aunque algunos endófitos, o habitantes de plantas, son buenos para sus huéspedes, F. verticillioides—desafortunadamente—no es bueno. Como resultado, el investigador Charles Bacon y la microbióloga Dorothy Hinton, ambos con ARS en Athens, están buscando otros endófitos beneficiosos que pueden ser usados para competir exitosamente contra el hongo hostil.

"Endófitos bacteriales son usados porque ellos son sistémicos y persisten durante el tiempo en que la planta huésped está viva", dice Bacon.

Uno de estos organismos que ellos están estudiando es Bacillus mojavensis, un endófito bacterial que tiene la capacidad de mejorar las plantas. Bacon y Hinton han encontrado que esta bacteria—ya patentada por ARS para proteger contra enfermedades de plantas—reduce significativamente la colonización de maíz por el hongo que produce la toxina.

Ellos también han descubierto que una sola aplicación de B. mojavensis a la semilla de maíz naturalmente infecta las plantillas, y este beneficio persiste a través del desarrollo y crecimiento del maíz.

"Nuestras pruebas en invernaderos mostraron que infectar maíz con B. mojavensis condujo a una reducción de hasta el 70 por ciento en el contenido de fumonisin", dice Bacon. Desafortunadamente, pruebas en el campo con la bacteria no fueron tan exitosas. Los investigadores encontraron que cuando F. verticillioides es estresada, el hongo produce una toxina diferente—llamada ácido fusárico—la cual es toxica a la bacteria beneficiosa.

Así Bacon y Hinton buscaron una cepa bacteriana mutante que es resistente al ácido fusárico, pero todavía capaz de controlar el hongo. La búsqueda de dos años rindió dos cepas que hacen esto. "Los mutantes bacterianas ahora proveen las herramientas más eficaces de control biológico para pruebas de campo en maíz y trigo", dice Bacon.—Por Erin Peabody, Jan Suszkiw, y Sharon Durham, ARS.

La versión en inglés de "Los hongos asesinos" ("Killer Fungi") fue publicada en la revista 'Agricultural Research' de octubre 2006.