Endófito

An endophyte es un endosymbiont, a menudo una bacteria o hongo, que vive dentro de una planta por lo menos parte de su ciclo de vida sin causar enfermedad aparente. Los endofitos son ubicuos y se han encontrado en todas las especies de plantas estudiadas hasta la fecha; sin embargo, la mayoría de las relaciones endophyte/plant no son bien comprendidas. Algunos endofitos pueden mejorar el crecimiento de los anfitriones y la adquisición de nutrientes y mejorar la capacidad de la planta para tolerar las tensiones abióticas, como la sequía, y disminuir las tensiones bióticas mejorando la resistencia de las plantas a insectos, patógenos y herbivores. Aunque con frecuencia se estudian bacterias endofiléticas y hongos, la arquea endofilética se está considerando cada vez más para su función en la promoción del crecimiento de plantas como parte del microbioma central de una planta.

Historia

Los endófitos fueron descritos por primera vez por el botánico alemán Johann Heinrich Friedrich Link en 1809. Se pensaba que eran hongos parásitos de las plantas y más tarde el científico francés Béchamp los denominó "microzimas". Se creía que las plantas eran saludables en condiciones estériles y no fue hasta 1887 que Victor Galippe descubrió que las bacterias se encontraban normalmente dentro de los tejidos vegetales. Aunque la mayoría de los estudios sobre endófitos informan sobre la relación mutualista entre bacterias y hongos, Das et al., (2019) informaron sobre el viroma endófito y su probable función en los mecanismos de defensa de las plantas.

Transmisión

Los endófitos pueden transmitirse verticalmente (directamente de los padres a los hijos) u horizontalmente (entre individuos). Los endófitos fúngicos transmitidos verticalmente suelen considerarse clonales y se transmiten a través de hifas fúngicas que penetran en el embrión dentro de las semillas del huésped, mientras que la reproducción de los hongos a través de conidios asexuales o esporas sexuales conduce a la transmisión horizontal, donde los endófitos pueden propagarse entre las plantas de una población o comunidad.

Simbiosis

La mayoría de las relaciones entre plantas y endófitos aún no se comprenden bien. Sin embargo, recientemente se ha demostrado que los endófitos se transmiten de una generación a otra a través de las semillas, en un proceso llamado transmisión vertical. Los endófitos y las plantas a menudo participan en el mutualismo, en el que los endófitos ayudan principalmente a la salud y supervivencia de la planta huésped en cuestiones como patógenos y enfermedades, estrés hídrico, estrés térmico, disponibilidad de nutrientes y mala calidad del suelo, salinidad y herbivoría. A cambio, el endófito recibe carbono para energía de la planta huésped. Las interacciones planta-microbio no son estrictamente mutualistas, ya que los hongos endófitos pueden convertirse potencialmente en patógenos o saprótrofos, generalmente cuando la planta está estresada. Los endófitos pueden activarse y reproducirse en condiciones ambientales específicas o cuando sus plantas huésped están estresadas o comienzan a envejecer, lo que limita la cantidad de carbono proporcionada al endófito.

Los endófitos pueden beneficiar a las plantas hospedantes al impedir que otros organismos patógenos o parásitos las colonicen. Los endófitos pueden colonizar extensamente los tejidos de las plantas y excluir competitivamente a otros patógenos potenciales. Se ha demostrado que algunos endófitos fúngicos y bacterianos aumentan el crecimiento de las plantas y mejoran su resistencia general.

Los estudios han demostrado que los hongos endófitos crecen en una interacción muy íntima con las células de la planta huésped. Se ha observado que las hifas de los hongos crecen aplanadas o encajadas contra las células de la planta. Este patrón de crecimiento indica que las hifas de los hongos están sustancialmente adheridas a la pared celular de la planta huésped, pero no invaden las células de la planta. Las hifas de los hongos endófitos parecen crecer al mismo ritmo que las hojas de su huésped, dentro de los espacios intercelulares del tejido vegetal.

Se ha demostrado que la presencia de ciertos endófitos fúngicos en los meristemos, hojas y estructuras reproductivas de los hospedadores mejora drásticamente la supervivencia de sus hospedadores. Esta mayor capacidad de supervivencia se atribuye en gran medida a la producción endófita de metabolitos secundarios que protegen contra la herbivoría, así como a una mayor absorción de nutrientes. Los estudios también han demostrado que, en circunstancias experimentales, los endófitos contribuyen significativamente al crecimiento y la aptitud de las plantas en condiciones de luz limitada, y las plantas parecen tener una mayor dependencia de su simbionte endófito en estas condiciones.

Existe evidencia de que las plantas y los endófitos se comunican entre sí, lo que puede favorecer la simbiosis. Por ejemplo, se ha demostrado que las señales químicas de las plantas activan la expresión genética en los endófitos. Un ejemplo de esta interacción planta-endosimbionte se produce entre las plantas dicotiledóneas de la familia Convolvulaceae y los hongos clavicipitáceos. Cuando el hongo está en la planta, sintetiza alcaloides de ergolina a un ritmo mayor que cuando crece separado de la planta. Esto respalda la hipótesis de que la señalización de las plantas es necesaria para inducir la expresión de metabolitos secundarios endofíticos.

Efectos sobre el comportamiento de las plantas

Se han estudiado varios comportamientos que resultan de la simbiosis de endófitos con plantas. A través de la asociación con hongos endófitos, se ha demostrado que las estructuras de raíces y brotes de árboles jóvenes de Pseudotsuga menziesii (abeto de Douglas) en condiciones de bajos nutrientes se alargan, así como también experimentan aumentos generales de biomasa. Los mecanismos propuestos detrás de esto incluyen una alta capacidad de solubilización de fosfato inorgánico por parte de los hongos, así como mineralización de fosfato orgánico, mayores asociaciones micorrízicas a través de la colonización de raíces y una mejor absorción de nitrógeno y fósforo. Especies específicas de endófitos también pueden estimular el crecimiento de las raíces al aumentar el flujo de auxina hacia donde se encuentra el endófito.

Además, varios informes sobre interacciones de endófitos han demostrado un aumento de las capacidades fotosintéticas de las plantas hospedantes, así como una mejora de las relaciones hídricas. Se observaron mejoras en la eficiencia del uso del agua en concentraciones más altas de CO2 y se observó un aumento adicional en condiciones de déficit hídrico. Además, se activaron otras vías fisiológicas diversas tras las interacciones de los endófitos con las plantas hospedantes, lo que permitió un control más estricto del agua y una mayor gestión del agua, que son las principales razones detrás de la mejora de las relaciones hídricas. En concreto, la evidencia apunta a que los endófitos que producen ABA afectan a la conductancia estomática, así como a la respiración microbiana y al reciclaje de CO2 por parte de las plantas.

Sin embargo, los mecanismos bioquímicos específicos que se esconden detrás de estos cambios de comportamiento aún son en gran medida desconocidos y las cascadas de señales de nivel inferior aún están por descubrir. Además, si bien los beneficios de las relaciones entre endófitos están bien estudiados, los costos de estas relaciones son menos comprendidos, como los costos específicos del carbono, el sistema de gobernanza de los endófitos y las condiciones ambientales que facilitan una relación adecuada entre plantas y endófitos.

En un experimento que investigaba la interacción entre Miscanthus sinensis y el endófito vegetal Herbaspirillum frisingense, se observó un aumento de aproximadamente el 20% en la biomasa fresca en M. sinensis después de la inoculación con H. frisingense. Sin embargo, lo exclusivo de este experimento fue el modo en que se pensó que esto sucedía. La inoculación vio una regulación positiva en los genes relevantes para la producción de jasmonato y etileno en las raíces de las plantas, aunque el mecanismo para esto aún se desconoce. Específicamente, se demostró que H. frisingense regula positivamente los receptores de etileno y reprime los factores de respuesta al etileno, lo que en general conduce a un aumento en el crecimiento de las raíces. Además, se sabe que H. frisingense produce ácido indol acético (IAA), y también se demostró que maneja los genes de IAA, lo que indica que existe un equilibrio complejo mantenido entre el etileno y el IAA por H. frisingense.

Diversidad

Las especies endófitas son muy diversas; sólo una pequeña minoría de los endófitos existentes han sido caracterizados. Muchos endófitos pertenecen a los filos Basidiomycota y Ascomycota. Los hongos endófitos pueden ser de Hypocreales y Xylariales de la clase Sordariomycetes (Pyrenomycetes) o de la clase Loculoascomycetes. Un grupo de hongos endófitos son los hongos micorrízicos arbusculares que involucran a Glomeromycota biotróficos asociados con varias especies de plantas. Como sucede a menudo con otros organismos asociados con plantas como los hongos micorrízicos, los endófitos obtienen carbono de su asociación con la planta huésped. Los endófitos bacterianos son polifiléticos y pertenecen a una amplia gama de taxones, incluyendo α-Proteobacteria, β-Proteobacteria, γ-Proteobacteria, Firmicutes, Actinobacteria.

En casi todas las plantas terrestres se encuentran uno o más organismos endófitos. Se sugiere que las áreas de alta diversidad de plantas, como las selvas tropicales, también pueden contener la mayor diversidad de organismos endófitos que poseen metabolitos químicos nuevos y diversos. Se ha estimado que podría haber aproximadamente un millón de hongos endófitos en el mundo.

Una bacteria diazotrófica aislada en los pinos contorta (Pinus contorta) en Columbia Británica, Canadá, es Paenibacillus polymyxa, que puede ayudar a su huésped fijando el nitrógeno.

Clasificación

Los endófitos incluyen una amplia variedad de microorganismos, entre ellos hongos, bacterias y virus. Existen dos formas diferentes de clasificarlos.

Sistémica y no sistémica

(feminine)

El primer método divide a los endófitos en dos categorías: sistémicos (verdaderos) y no sistémicos (transitorios). Estas categorías se basan en la genética, la biología y el mecanismo de transmisión de un huésped a otro del endófito. Los endófitos sistémicos se definen como organismos que viven dentro de los tejidos de las plantas durante la totalidad de su ciclo de vida y participan en una relación simbiótica sin causar enfermedades ni daños a la planta en ningún momento. Además, las concentraciones y la diversidad de endófitos sistémicos no cambian en un huésped con condiciones ambientales cambiantes. Los endófitos no sistémicos o transitorios, por otro lado, varían en número y diversidad dentro de sus plantas hospedantes bajo condiciones ambientales cambiantes. También se ha demostrado que los endófitos no sistémicos se vuelven patógenos para sus plantas hospedantes en condiciones de crecimiento estresantes o con recursos limitados. Un ejemplo de esto sería Colletotrichum fioriniae, que es un endófito de muchos árboles y arbustos de hoja ancha templados, pero también puede ser un patógeno en muchas frutas y algunas hojas.

Clavicipitáceas y no clavicipitáceas

El segundo método divide los endófitos fúngicos en cuatro grupos según la taxonomía y otros seis criterios: rango de hospedantes, tejidos hospedantes colonizados, colonización in planta, biodiversidad in planta, modo de transmisión y beneficios de adaptación. Estos cuatro grupos se dividen en endófitos clavicipitáceos (clase 1) y endófitos no clavicipitáceos (clases 2, 3 y 4).

Los endófitos de clase 1 están todos relacionados filogenéticamente y proliferan en pastos de estaciones frías y cálidas. Por lo general, colonizan los brotes de las plantas donde forman una infección intercelular sistémica. Los endófitos de clase 1 se transmiten principalmente de un huésped a otro por transmisión vertical, en la que las plantas maternas pasan los hongos a su descendencia a través de las semillas. Los endófitos de clase 1 se pueden dividir en tipos I, II y III. Entre estos tres tipos de endófitos clavicipitáceos hay diferentes interacciones con sus huéspedes vegetales. Estas interacciones van desde patógenas hasta simbióticas y sintomáticas hasta asintomáticas. Los endófitos clavicipitáceos de tipo III crecen dentro de su huésped vegetal sin manifestar síntomas de enfermedad ni dañarlo. Los endófitos de clase 1 generalmente confieren beneficios a su huésped vegetal, como mejorar la biomasa de la planta, aumentar la tolerancia a la sequía y aumentar la producción de sustancias químicas que son tóxicas y poco apetecibles para los animales, disminuyendo así la herbivoría. Estos beneficios pueden variar según el huésped y las condiciones ambientales.

Los endófitos no clavicipitáceos representan un grupo polifilético de organismos. Los endófitos no clavicipitáceos son típicamente hongos Ascomycota. Los roles ecológicos de estos hongos son diversos y aún poco comprendidos. Estas interacciones de plantas endófitas están muy extendidas y se han encontrado en casi todas las plantas y ecosistemas terrestres. Muchos endófitos no clavicipitáceos tienen la capacidad de cambiar entre el comportamiento endófito y los estilos de vida de vida libre. Los endófitos no clavicipitáceos se dividen en clases 2, 3 y 4. Los endófitos de clase 2 pueden crecer en tejidos vegetales tanto por encima como por debajo del suelo. Esta clase de endófitos no clavicipitáceos ha sido la más investigada y se ha demostrado que mejora los beneficios de aptitud física de su huésped vegetal como resultado de estreses específicos del hábitat como el pH, la temperatura y la salinidad. Los endófitos de clase 3 están restringidos al crecimiento en tejidos vegetales por encima del suelo y se forman en áreas localizadas de tejido vegetal. Los endófitos de clase 4 se limitan a los tejidos vegetales subterráneos y pueden colonizar una superficie mucho mayor del tejido vegetal. Estas clases de endófitos no clavicipitáceos no han sido estudiadas tan extensamente hasta la fecha.

Aplicaciones

Los endófitos pueden tener aplicaciones potenciales en el futuro en la agricultura. El uso de endófitos podría aumentar potencialmente el rendimiento de los cultivos. Las semillas de césped de Festuca y Lolium perenne infectadas con inóculos fúngicos, Acremonium coenophialum y A. lolii, están disponibles comercialmente para su uso en el cultivo de céspedes que podrían requerir un menor uso de pesticidas (las hierbas son venenosas para el ganado y más resistentes a algunos daños causados por insectos). A partir de 1999, esto sólo está disponible en los céspedes mencionados anteriormente, que se venden como cultivares de "bajo mantenimiento". Los hongos hacen que los céspedes contengan alcaloides tóxicos. Los productos proporcionan una alta resistencia a las plagas foliares del césped, como los gorgojos, las chinches, los gusanos tejedores del césped, los gusanos cogolleros y los gorgojos argentinos, pero ofrecen poca protección a las plagas de las raíces de los céspedes, como las larvas. Los endófitos pueden sobrevivir a la mayoría de los pesticidas e incluso son resistentes a algunos fungicidas, y son muy adecuados para su uso en el Manejo Integrado de Plagas.

Biocombustible

Un experimento de 2008 con un aislado de un hongo llamado NRRL 50072 descubrió que esta cepa puede producir una pequeña cantidad de compuestos de hidrocarburos similares a los combustibles, que se promocionó como "micodiésel". Se esperaba que tal vez en el futuro esto pudiera proporcionar una posible fuente de biocombustible. Primero se identificó erróneamente como el endófito Gliocladium roseum, pero investigaciones posteriores demostraron que, de hecho, era el saprófito Ascocoryne sarcoides.

Se descubrió que una cepa de hongos endófitos que parecía estar estrechamente relacionada con Nigrograna mackinnonii, aislada de un tallo de la planta Guazuma ulmifolia recolectada en Ecuador, produce una variedad de compuestos orgánicos volátiles, incluidos terpenos y polienos de cadena impar. Los polienos aislados del hongo tienen propiedades que se buscan en los biocombustibles sustitutos de la gasolina.

Fitorremediación

Las plantas tienen la capacidad de descomponer o secuestrar, o estimular a los microorganismos del suelo para que descompongan o secuestren, ciertos contaminantes orgánicos e inorgánicos como el níquel en ecosistemas degradados, lo que se conoce como fitorremediación. En este proceso, los endófitos pueden ayudar a las plantas a convertir los contaminantes en formas biológicamente menos dañinas; en uno de los pocos experimentos realizados, se transfirió un plásmido llamado TOM de una cepa de una bacteria del género Burkholderia conocida como G4 que puede descomponer el tricloroetileno (TCE) a los endófitos de árboles populares; aunque no ayudó a las plantas a eliminar más de este químico que las plantas no inoculadas, las plantas transpiraron menos TCE al aire. En otro experimento, se inoculó la bacteria Burkholderia con el plásmido TOM y los genes de resistencia al níquel en altramuces amarillos; esto aumentó la masa de raíces de las plantas, pero las cantidades de TCE transpiradas no fueron estadísticamente significativas. A pesar de estos fracasos, estas técnicas podrían conducir a algunas mejoras futuras.

Se ha demostrado en experimentos de laboratorio que dos cepas del hongo endófito Pestalotiopsis microspora aisladas de tallos de plantas de la selva ecuatoriana pueden digerir plástico de poliuretano como única fuente de carbono del hongo en condiciones anaeróbicas, aunque muchos otros hongos no endófitos han demostrado esta capacidad, y la mayoría de los aislados de hongos endófitos en este experimento podrían realizarla en algún grado.

Descubrimiento de fármacos

Los endófitos producen una amplia variedad de metabolitos secundarios que podrían ser útiles como compuestos principales en el descubrimiento de fármacos. La bioprospección de endófitos ya ha producido compuestos con propiedades antibacterianas, antifúngicas, antivirales, antiparasitarias, citotóxicas, neuroprotectoras, antioxidantes, miméticas de insulina, inhibidoras de la α-glucosidasa e inmunosupresoras. Las manipulaciones de los endosimbiontes de una planta pueden afectar el desarrollo y el crecimiento de la planta y, en última instancia, la calidad y la cantidad de compuestos extraídos de la planta. Los estudios han demostrado que los hongos endófitos pueden producir metabolitos secundarios que antes se creía que eran fabricados por sus huéspedes vegetales. La presencia de estos metabolitos en las plantas podría atribuirse a la producción de endófitos solos, o a la producción combinada de endófitos y plantas tras la transferencia de los genes correspondientes del endófito a la planta o viceversa.

Un ejemplo bien conocido del descubrimiento de sustancias químicas derivadas de hongos endófitos es el hongo Taxomyces andreanae aislado del tejo del Pacífico Taxus brevifolia. T. andreanae produce paclitaxel, también conocido como taxol. Este fármaco es importante para el tratamiento del cáncer. Desde entonces se han descubierto otros endófitos que también producen paclitaxel en otras especies hospedadoras, pero hasta la fecha no se ha creado ninguna fuente industrial de paclitaxel que tenga éxito.

Se han descubierto endófitos con diversas propiedades antitumorales. Los hongos endófitos producen muchos compuestos secundarios como alcaloides, triterpenos y esteroides que han demostrado tener efectos antitumorales. El alcaloide beauvericina se ha aislado del hongo Fusarium oxysporum y ha mostrado citotoxicidad contra las células tumorales PC3, PANC-1 y A549. Dos derivados de fusarrubina: anhidrofusarrubina y metil éter de fusarrubina se aislaron del hongo endófito Cladosporium sp. y han mostrado citotoxicidad contra la leucemia humana (K-562). Se encontraron tres triterpenos en el endófito Xylarialean sp., los tres compuestos mostraron efectos citotóxicos leves sobre las células tumorales.

Algunos de los compuestos antimicrobianos producidos por hongos endófitos son de interés por su eficacia contra patógenos que han desarrollado resistencia a los antibióticos. Diferentes fracciones de Cladosporium sp., incluido el metabolito secundario metil éter de fusarrubina, han mostrado actividad antibacteriana contra Staphylococcus aureus, E. coli, P. aeruginosa y Bacillus megaterium. Se ha demostrado que varios aislados de la especie ascomiceta Pestalotiopsis tienen una amplia gama de efectos antimicrobianos, incluso contra Staphylococcus aureus resistente a la meticilina. Además, los compuestos del hongo marino Nigrospora sp. tienen actividad contra cepas de Mycobacterium tuberculosis resistente a múltiples fármacos.

Se ha descubierto un hongo endofítico del género Pseudomassaria en la selva tropical de la República Democrática del Congo. Este hongo produce un metabolito que muestra potencial como antidiabético, también conocido como mimético de insulina. Este compuesto actúa como la insulina y se ha demostrado que reduce los niveles de glucosa en sangre en experimentos con modelos de ratones.

Agricultura

Entre las muchas aplicaciones prometedoras de los microbios endófitos se encuentran aquellas destinadas a aumentar el uso agrícola de endófitos para producir cultivos que crezcan más rápido y sean más resistentes y robustos que los cultivos que carecen de endófitos. Los endófitos de Epichloë se están utilizando ampliamente en el ámbito comercial en céspedes para mejorar el rendimiento del césped y su resistencia a las tensiones bióticas y abióticas. Piriformospora indica es un interesante hongo endófito del orden Sebacinales, capaz de colonizar raíces y formar relaciones simbióticas con muchas plantas.

Los endofitos parecen mejorar el crecimiento de sus simbientes de acogida de plantas. Los endofitos también proporcionan a sus anfitriones una mayor resiliencia a los estresantes abióticos y bióticos como sequía, suelos pobres y herbívoro. El aumento del crecimiento y la resiliencia es probablemente causado por la capacidad de los endofitos para mejorar la nutrición vegetal o la producción secundaria de metabolitos, como en el caso de Phoma eupatorii'inhibición de la fitopatógeno Phytophthora infestans. Los endofitos logran esto aumentando la absorción de valiosos nutrientes limitados de la tierra como el fósforo y poniendo otros nutrientes vegetales disponibles para plantas como el fosfato de roca y el nitrógeno atmosférico que normalmente están atrapados en formas inaccesibles para las plantas.

Muchos endofitos protegen las plantas de la herbivoría de insectos y animales produciendo metabolitos secundarios que no son o tóxicos para el herbívoro. Cada vez más ha habido gran importancia en los endofitos que protegen los cultivos valiosos de los insectos invasivos. Un ejemplo de interacción endophyte-plant-insect se encuentra en las praderas neozelandesas, donde se utilizan endofitos, conocidos como AR1 y AR37 para proteger la valiosa ryegras del lóvil de tallo argentino, pero siguen siendo agradables a otra importante fuente de alimentos, ganado.

Hay varios endofitos que han sido descubiertos que exhiben propiedades insecticidas. Uno de esos endofitos viene del Nodulisporium sp. que fue cosechado por primera vez de la planta Bontia daphnoides. Los diterpenes interiores, conocidos como ácidos nodulisporicos, han sido cosechados de este endofito que tienen propiedades insecticidas efectivas contra las larvas sopladas.

Hay muchos obstáculos para aplicar con éxito el uso de endofitos en la agricultura. A pesar de los muchos beneficios conocidos que los endofitos pueden conferir a sus anfitriones de plantas, las prácticas agrícolas convencionales siguen teniendo prioridad. La agricultura actual depende en gran medida de los fungicidas y altos niveles de fertilizantes químicos. El uso de fungicidas tiene un efecto negativo en los hongos y fertilizantes endofiticos reduce la dependencia de una planta de su simbionte endofitico. A pesar de ello, el interés y el uso de bio-insecticidas y el uso de endofitos para ayudar en el crecimiento de las plantas aumenta a medida que la agricultura orgánica y sostenible se considera más importante. A medida que los humanos se vuelven más conscientes del daño que los insecticidas sintéticos causan al medio ambiente y los insectos beneficiosos tales como abejas y mariposas, los insecticidas biológicos pueden ser más importantes para la industria agrícola.