Agrobacteria

Agrobacterium es un género de bacterias Gram-negativas establecido por H. J. Conn que utiliza la transferencia horizontal de genes para causar tumores en las plantas. Agrobacterium tumefaciens es la especie más comúnmente estudiada de este género. Agrobacterium es bien conocido por su capacidad de transferir ADN entre sí y las plantas, y por esta razón se ha convertido en una herramienta importante para la ingeniería genética.

Historia de la nomenclatura

Hasta la década de 1990, el género Agrobacterium se utilizaba como taxón de la papelera. Con la llegada de la secuenciación 16S, muchas especies de Agrobacterium (especialmente las especies marinas) fueron reasignadas a géneros como Ahrensia, Pseudorhodobacter, Ruegeria y Stappia. Las especies restantes de Agrobacterium se asignaron a tres biovares: biovar 1 (Agrobacterium tumefaciens), biovar 2 (Agrobacterium rhizogenes) y biovar 3 (Agrobacterium vitis). A principios de la década de 2000, Agrobacterium fue sinonimizado con el género Rhizobium. Esta medida resultó ser controvertida. El debate finalmente se resolvió cuando se restableció el género Agrobacterium después de demostrar que era filogenéticamente distinto de Rhizobium y que las especies de Agrobacterium estaban unificadas por una sinapomorfía única: la presencia del gen de la protelomerasa, telA, que hace que todos los miembros del género tengan un cromido lineal. Para entonces, sin embargo, los tres biovares de Agrobacterium habían desaparecido; el biovar 1 permaneció con Agrobacterium, el biovar 2 pasó a llamarse Rhizobium rhizogenes y el biovar 3 pasó a llamarse Allorhizobium vitis.

Patógeno vegetal

Agrobacterium tumefaciens causa la enfermedad de las agallas de la corona en las plantas. La enfermedad se caracteriza por un crecimiento o agalla similar a un tumor en la planta infectada, a menudo en la unión entre la raíz y el brote. Los tumores son provocados por la transferencia conjugativa de un segmento de ADN (ADN-T) del plásmido bacteriano inductor de tumores (Ti). La especie estrechamente relacionada, Agrobacterium rhizogenes, induce tumores de raíz y porta el plásmido Ri (inductor de raíz) distintivo. Aunque la taxonomía de Agrobacterium está actualmente bajo revisión, se puede generalizar que existen 3 biovares dentro del género, Agrobacterium tumefaciens, Agrobacterium rhizogenes y Agrobacterium vitis. Se sabe que las cepas de Agrobacterium tumefaciens y Agrobacterium rhizogenes pueden albergar un plásmido Ti o Ri, mientras que las cepas de Agrobacterium vitis, generalmente restringido a las vides, puede albergar un plásmido Ti. Se han aislado cepas distintas de Agrobacterium a partir de muestras ambientales que albergan un plásmido Ri, mientras que los estudios de laboratorio han demostrado que las cepas distintas de Agrobacterium también pueden albergar un plásmido Ti. Algunas cepas ambientales de Agrobacterium no poseen plásmido Ti ni Ri. Estas cepas son avirulentas.

El ADN-T plásmido se integra de forma semialeatoria en el genoma de la célula huésped y los genes de morfología del tumor en el ADN-T se expresan, provocando la formación de una agalla. El ADN-T transporta genes de enzimas biosintéticas para la producción de aminoácidos inusuales, típicamente octopina o nopalina. También transporta genes para la biosíntesis de hormonas vegetales, auxinas y citoquininas, y para la biosíntesis de opiniones, proporcionando una fuente de carbono y nitrógeno para las bacterias que la mayoría de los otros microorganismos no pueden utilizar, dando Agrobacterium una ventaja selectiva. Al alterar el equilibrio hormonal en la célula vegetal, la planta no puede controlar la división de esas células y se forman tumores. La proporción de auxina a citoquinina producida por los genes tumorales determina la morfología del tumor (en forma de raíz, desorganizado o en forma de brote).

En humanos

Aunque generalmente se considera una infección en las plantas, Agrobacterium puede ser responsable de infecciones oportunistas en humanos con sistemas inmunológicos debilitados, pero no se ha demostrado que sea un patógeno primario en personas por lo demás sanas. Una de las primeras asociaciones de enfermedades humanas causadas por Agrobacterium radiobacter fue descrita por el Dr. J. R. Cain en Escocia (1988). Un estudio posterior sugirió que Agrobacterium se adhiere y transforma genéticamente varios tipos de células humanas integrando su ADN-T en el genoma de la célula humana. El estudio se realizó utilizando tejido humano cultivado y no sacó ninguna conclusión sobre la actividad biológica relacionada en la naturaleza.

Usos en biotecnología

La capacidad de Agrobacterium para transferir genes a plantas y hongos se utiliza en biotecnología, en particular, en ingeniería genética para la mejora de plantas. Se pueden diseñar genomas de plantas y hongos mediante el uso de Agrobacterium para la entrega de secuencias alojadas en vectores binarios de ADN-T. Se puede utilizar un plásmido Ti o Ri modificado. El plásmido está 'desarmado' mediante deleción de los genes inductores de tumores; las únicas partes esenciales del ADN-T son sus dos pequeñas repeticiones fronterizas (25 pares de bases), al menos una de las cuales es necesaria para la transformación de las plantas. Los genes que se introducirán en la planta se clonan en un vector binario vegetal que contiene la región de ADN-T del plásmido desarmado, junto con un marcador seleccionable (como la resistencia a los antibióticos) para permitir la selección de plantas que se han transformado con éxito. Las plantas se cultivan en medios que contienen antibióticos después de la transformación, y aquellas que no tienen el ADN-T integrado en su genoma morirán. Un método alternativo es la agroinfiltración.

Transformación con Agrobacterium se puede lograr de múltiples maneras. Los protoplastos o discos de hoja alternativos pueden incubarse con los Agrobacterium y plantas enteras regeneradas usando la cultura de tejido vegetal. En la agroinfiltración Agrobacterium se puede inyectar directamente en el tejido de la hoja de una planta. Este método transforma solamente células en contacto inmediato con las bacterias, y resulta en la expresión transitoria del ADN plasmido.

La agroinfiltración se utiliza comúnmente para transformar el tabaco (Nicotiana). Un protocolo de transformación común Arabidopsis es el método de dip floral: Una inflorescencia está cubierta en una suspensión de Agrobacterium, y la bacteria transforma las células alemanas que hacen los gametos femeninos. Las semillas pueden ser analizadas para la resistencia a los antibióticos (o otro marcador de interés). Las plantas que no han integrado el ADN plasmido morirán cuando estén expuestas al antibiótico.

Agrobacterium figura como el vector del material genético que se transfirió a estos OGM estadounidenses:

• Soybean
• Cotton
• Maize
• Hoja de azúcar
• Alfalfa
• Trigo
• Aceite Rapeseed (Canola)
• Creciente bentgras (para pienso animal)
• Rice (Golden Rice)

La transformación de hongos utilizando Agrobacterium se utiliza principalmente con fines de investigación y sigue enfoques similares a los de la transformación de plantas. El sistema de plásmido Ti se modifica para incluir elementos de ADN para seleccionar cepas de hongos transformadas, después de la coincubación de cepas de Agrobacterium que portan estos plásmidos con especies de hongos.

Genómica

La secuenciación de los genomas de varias especies de Agrobacterium ha permitido estudiar la historia evolutiva de estos organismos y ha proporcionado información sobre los genes y sistemas implicados en la patogénesis, el control biológico y la simbiosis. Un hallazgo importante es la posibilidad de que los cromosomas estén evolucionando a partir de plásmidos en muchas de estas bacterias. Otro descubrimiento es que las diversas estructuras cromosómicas de este grupo parecen ser capaces de sustentar estilos de vida tanto simbióticos como patógenos. La disponibilidad de las secuencias del genoma de las especies de Agrobacterium seguirá aumentando, lo que dará como resultado conocimientos sustanciales sobre la función y la historia evolutiva de este grupo de microbios asociados a plantas.

Historia

Marc Van Montagu y Jozef Schell de la Universidad de Gante (Bélgica) descubrieron el mecanismo de transferencia de genes entre Agrobacterium y las plantas, lo que dio lugar al desarrollo de métodos para alterar Agrobacterium en un sistema de aplicación eficiente para la ingeniería genética en plantas. Un equipo de investigadores dirigido por Mary-Dell Chilton fue el primero en demostrar que los genes de virulencia podían eliminarse sin afectar negativamente a la capacidad de Agrobacterium para insertar su propio ADN en el genoma de la planta (1983).