Tropical Endophytic Fungi: Current Knowledge and Perspectives
MIGUEL A. GAMBOA GAITÁN, M.Sc. Departamento de Biología, Facultad de Ciencias, Universidad Nacional de Colombia, Sede Bogotá, AA 14490, Bogotá, Colombia. magamboaga@unal.edu.co
Presentado 29 de septiembre de 2005, aceptado 4 de agosto de 2006, correcciones 24 de octubre de 2006.
RESUMEN
Los organismos endófitos, particularmente los hongos, han recibido una creciente atención en los años recientes. Este grupo de microrganismos vive asintomáticamente dentro de tejidos vegetales sanos, y ha mostrado poseer un gran potencial económico en áreas como la agronomía y la medicina. También se han usado como grupo modelo para estudiar aspectos teóricos de la ecología de comunidades y de la interacción planta microorganismo. En la presente revisión se ha recopilado la literatura existente acerca de los hongos endófitos tropicales, y se analiza comparativamente con algunos trabajos de zonas templadas. Se discuten algunos de los aspectos más relevantes y promisorios en este sistema simbiótico y se hacen recomendaciones acerca de tópicos particulares hacia los que debe dirigirse la investigación en este campo.
Palabras clave: hongos endófitos, simbiosis, trópico.
ABSTRACT
Endophytic microorganisms are symptomless inhabitants of plant tissues. This group is receiving a growing attention due to its potential in fields as varied as agronomy and medicine. Some more basic aspects of science, such as ecology of communities and plantmicrobe interactions have also been studied in this group. This review emphasizes on current literature about tropical endophytes and work in this theme is compared with those developed in temperate zones when appropriate. The most important ecological aspects of this system are discussed, and recommendations about the future directions of research in this field are done, especially those related to the use of endophytes as a model group in modern biology.
Key words: Endophytic fungi, endophytes, symbiosis, tropics.
]]> INTRODUCCIÓN El término endófito se conoce desde el siglo XIX y se usó inicialmente para agrupar aquellos organismos fúngicos que viven dentro de las plantas (Léveillé, 1846; de Bary, 1866), pero el significado de este término ha variado acorde con el avance del conocimiento en este campo (Wilson, 1995). En la actualidad existe algún grado de concenso en aceptar a los endófitos como organismos que viven asintomáticamente dentro de tejidos aéreos vegetales vivos (Carroll, 1986), e incluso en raíces pero excluyendo los hongos productores de micorrizas (Saikkonen et al., 1998). Sin embargo, el término puede cobijar tanto hongos saprófitos como hongos patógenos latentes (Petrini, 1991). Estos últimos pueden producir síntomas sobre su hospedero cuando el tejido en el que habitan se debilite o empiece a morir.Recientemente, Wilson (1995) presenta a los organismos endófitos como hongos o bacterias que durante parte o todo su ciclo de vida invaden tejidos vegetales vivos y causan infecciones asintomáticas completamente dentro del tejido vegetal. Dado que algunas asociaciones micorríticas deforman la raíz, permitiendo detectar los síntomas de su infección, ellas quedan excluídas en esta definición. Es claro entonces que los organismos endófitos no son solamente hongos ya que también existen bacterias endófitas (Wilson, 1995; revisado por Chanway, 1996), pero el término podría extenderse para incluir grupos tales como protistas e invertebrados que viven dentro del cuerpo vegetal, siempre y cuando sean asintomáticos. En la actualidad la mayoría de los estudios están dirigidos principalmente a los endosimbiontes fúngicos.
Los hongos endófitos forman con sus hospederos relaciones simbióticas complejas, y en la actualidad existe un gran número de interrogantes acerca del funcionamiento de esta simbiosis. En primera instancia se desea saber qué beneficio recibe cada uno de los participantes por estar involucrado en esta relación simbiótica. En los trópicos no hay ningún ejemplo comprobado de mutualismo entre endófitos y sus hospederos, pero se cree que sí hay casos. Existe un grupo de hongos endófitos en pastos de las zonas templadas que les proveen protección contra herbivoría y depredación de semillas mediante producción de toxinas. A cambio reciben alimento, un lugar donde vivir y, en algunos casos, dispersión a través de la semilla de su hospedero (Johnson et al., 1985; Clay, 1988; Knoch et al., 1993). Este mutualismo se discute en detalle más adelante. El presente ensayo está dirigido a revisar el conocimiento actual sobre los hongos endófitos tropicales y a destacar su posible papel como grupo modelo en diferentes campos de la investigación científica. Ante la escasez de estudios tropicales, es necesario recurrir a algunos trabajos de la zona templada como punto de referencia, para hacer una predicción acerca del rumbo que tomará este campo en los próximos años. Se dividirá el texto en: 1) estudios de diversidad y distribución de endófitos, 2) naturaleza de la interacción de los endófitos con sus hospederos, y 3) endófitos como modelo de investigación: potencial y perspectivas.
DIVERSIDAD Y DISTRIBUCIÓN DE LOS HONGOS ENDÓFITOS TROPICALES
Especificidad. Hay evidencia de la existencia de la simbiosis planta hongo endófito desde hace varias decenas de millones de años (Carroll, 1995). Es probable que durante la evolución biológica esta asociación se haya originado muchas veces independientemente, tanto en los trópicos como en las zonas templadas. Considerando las diferencias climáticas y biológicas entre estas regiones, es viable pensar que las tendencias de esta simbiosis sean diferentes en cada uno de estos escenarios. Los pocos trabajos realizados en este campo en los trópicos muestran algún tipo de evidencia respaldando el postulado anterior. Se ha visto que la composición de especies endófitas es muy diferente entre la zona templada y el trópico (Rodrigues y Petrini, 1997). Por ejemplo, uno de los taxones endófitos más comunes en los trópicos es la familia Xylariaceae, grupo que también es común en las zonas templadas pero como descomponedores de madera y no como endófitos (Rodrigues y Samuels, 1990; Rodrigues, 1994; Petrini et al., 1995). También parece que la especificidad de hospedero es menor en las zonas tropicales que en las templadas, aunque los datos son muy escasos y fraccionarios aún. En un estudio realizado con dos árboles tropicales, Bayman et al. (1998) no encontraron especificidad de los hongos por el hospedero. Una posible explicación para este fenómeno es la gran cantidad de especies de plantas y la baja frecuencia y gran espaciamiento que existe entre los individuos de una misma especie en los bosques tropicales (Lodge et al., 1996). En este escenario una alta especificidad entre los miembros de la simbiosis no parece viable, pues la probabilidad de encuentro entre ellos sería baja (May, 1990; Hammond, 1992; Lodge y Cantrell, 1995). Cabe mencionar, sin embargo, que en el trópico podrían existir casos de especificidad entre hongos endosimbiontes y su hospedero natural. Se destaca el reporte de algunos géneros de Coelomycetes en Ecuador que parecen tener especificidad por su hospedero nativo (Fisher et al., 1995). También se ha postulado a Phomopsis casuarinae como específico de Casuarina (Bose, 1947), aunque este reporte puede ser erróneo ya que se basa en observaciones de hifas in vivo y no en aislamientos en el laboratorio (Bayman et al., 1998).
Un fenómeno que aparece registrado tanto para zonas tropicales como templadas, es el de la especificidad de endosimbiontes por tejidos vegetales particulares. Esto ha sido postulado para hongos xilariáceos en tejidos vegetales aéreos de árboles tropicales (Laessøe y Lodge, 1994; Lodge et al., 1996), aunque en algunos casos la infección aparentemente solo se verifica luego de la caída del órgano al suelo. En un estudio con el árbol tropical Gynoxis oleifolia (Asteraceae), se observó que algunas especies de endófitos eran exclusivas de la raíz, mientras que otras especies de hongos habitan la corteza y las hojas (Fisher et al., 1995). Aunque en dicho estudio no se encontró preferencia del hongo por sectores específicos de la hoja, en estudios realizados con palmas tropicales se ha observado especificidad de algunos taxones endosimbiontes por tejidos foliares particulares (Rodrigues y Samuels, 1990; Rodrigues, 1994). De otro lado, esta preferencia de endosimbiontes por tejidos vegetales no es universal para las plantas tropicales; en Puerto Rico, en orquídeas epífitas del género Lepanthes, no se presentaron diferencias significativas entre los hongos endófitos de raíces y tallos (Bayman et al., 1997).
Una consecuencia de la discriminación fúngica por los tejidos vegetales es que se evita el hacinamiento, ya que las comunidades de hongos endófitos de plantas tropicales se caracterizan por poseer una gran cantidad de especies e individuos y un patrón de distribución altamente agregado a una escala muy fina (Lodge et al., 1996; Gamboa, 1998; Gamboa y Bayman, 2001). La especificidad de tejidos permitiría una mejor repartición del recurso disponible, disminuyendo así la competencia entre los endosimbiontes.
En realidad se sabe muy poco acerca de la distribución de los hongos endófitos en los tejidos de un mismo órgano. Por ejemplo, es posible encontrar diferentes especies en cada uno de los tejidos de una hoja: parénquima, haces vasculares, dermis, etc. Esta preferencia por tejidos vegetales también podría interpretarse como la capacidad de cada especie de usar ciertos substratos específicos (Rodrigues, 1994). El uso diferencial de sustratos por parte de hongos endófitos ha sido comprobado, siendo tal repartición bioquímica de recursos una estrategia viable para poder coexistir en un mismo órgano (Carroll y Petrini, 1983).
Es poco lo que se puede concluir acerca de la especificidad del hospedero de los hongos endófitos tropicales. La mayoría de los postulados actuales no son más que especulaciones basadas en pocas observaciones. Un problema importante es el hecho que muchos hongos endófitos aislados no pueden ser identificados, bien sea porque no esporulan o no pueden ser indudablemente equiparados con especies descritas (Petrini et al., 1995; Gamboa y Bayman, 2001). En taxones con amplios rangos de distribución y taxonomía compleja, tales como Colletotrichum y Phomopsis, puede existir numerosas cepas morfológicamente variables o incluso complejos de especies restringidas a un número variable de hospederos (Gamboa, 1998; GamboaGaitán et al., 2005a).
Los hongos endófitos en el ambiente tropical. Otro aspecto que podría ser determinante en la estructuración de las comunidades endófitas tropicales, es el de la heterogeneidad espacial de los bosques en dicha zona. Los bosques tropicales presentan una mayor complejidad estructural que otros ecosistemas, originando abundantes gradientes, microclimas y microhábitats tanto horizontal como verticalmente. Esta compleja arquitectura del bosque puede ser un factor importante para determinar y predecir la abundancia de organismos pequeños, tales como artrópodos y microorganismos (revisado por Lodge y Cantrell, 1995). Es común encontrar que las comunidades de hongos endófitos y epífitos varían con los estratos dentro del dosel, especialmente en la parte más alta. Varios trabajos sugieren que existen diferencias en la composición vertical de las comunidades de endófitos y epífitos en diferentes especies arbóreas del mismo bosque (Cowley, 1970; Lodge et al., 1996; Gamboa, 1998). Concomitante con el aporte que la heterogeneidad espacial da a la diversidad de comunidades endófitas, se espera que también exista un efecto de los factores que propician cambios temporales, es decir, sucesionales en tales comunidades. Este es un aspecto que no se ha reportado en ninguna planta tropical hasta la fecha. Solo cambios temporales en otros gremios de hongos (tales como descomponedores y micorrizas), han sido reportados hasta el momento, siendo evidente su importancia en aspectos como el destino de los nutrientes en el ecosistema (revisado por Lodge y Cantrell, 1995).
]]> Los taxones vegetales tropicales en los que se han estudiado los hongos endosimbiontes son palmas (Rodrigues, 1994; Rodrigues, 1996; Southcott y Johnson, 1997; Mariano et al., 1997), orquídeas y otras epífitas (Bermudes y Benzing, 1989; Richardson et al., 1993; Richardson y Currah, 1995; Bayman et al., 1997; Otero et al., 2002), Sapotaceae (Lodge et al., 1996; Bayman et al., 1998), Fabaceae (Pereira et al., 1993), Casuarinaceae (Bose, 1947; Bayman et al., 1998), Ochnaceae, Olacaceae (Arnold et al., 2000), Asteraceae (Fisher et al., 1995), Anacardiaceae (Rodrigues y Samuels, 1999), Meliaceae (Lassøe y Lodge, 1994, Gamboa y Bayman, 2001), Rubiaceae (Santamaría y Bayman, 2005), Magnoliaceae y Sterculiaceae (Arnold y Lutzoni, 2003, Arnold et al., 2003). Sin embargo, el número de especies vegetales estudiadas en cada familia es bajo, por lo que el trabajo que falta por hacer tan solo en el campo de catalogación e inventario de endosimbiontes tropicales es considerable (Tabla 1). Recientemente se ha intentado esclarecer el misterio de dónde se encuentra la inmensa cantidad de hongos que falta por describir, y se cree que muchos de ellos se encuentran asociados a plantas y líquenes tropicales (Hawksworth y Rossman, 1997).Endófitos como grupo modelo. Los hongos endófitos podrían constituir un buen modelo para estudiar la ecología de comunidades microbianas. Varios estudios muestran que dichas comunidades presentan un patrón de agrupamiento a una escala muy fina, con gran cantidad de especies e individuos (Lodge et al., 1996, Bayman et al., 1998, Gamboa y Bayman, 2001). Se ha mostrado que las comunidades de hongos, incluídas las de endófitos, siguen una distribución lognormal (pocas especies abundantes y muchas especies raras; Polishook et al., 1996; Lodge et al., 1996; Gamboa, 1998) al igual que sucede con las comunidades de macroorganismos. Estas características, asociadas a lo relativamente fácil que es su muestreo y cultivo en el laboratorio, hacen de este grupo un buen modelo para estudios ecológicos y de biodiversidad, especialmente de microorganismos. La diversidad de organismos fúngicos es un componente muy importante para poder establecer un inventario biológico global. Actualmente existe muy buena evidencia a favor del importante papel de las plantas tropicales como reservorio de numerosas especies de hongos (Hawksworth y Rossman, 1997). Sin embargo, los hongos endófitos tropicales han sido constantemente ignorados, por lo que el número de especies postulado más conocido en la literatura (1.5 millones, Hawksworth, 1991), probablemente subestima el verdadero número de especies (Gamboa, 1998; Fröhlich y Hyde 1999; Arnold et al., 2000; Hawksworth, 2000; Gamboa et al., 2002).
Dispersión y transmisión de endófitos. La transmisión por semilla no ha sido demostrada en especies tropicales, a pesar de haberse encontrado hongos endófitos xilariáceos en semillas de algunas especies (Lassøe y Lodge, 1994; Bayman et al., 1998). Dicha transmisión es uno de los requisitos postulados para que exista un verdadero mutualismo entre la planta y sus endófitos (Carroll, 1988). Sin embargo, este mismo autor plantea como alternativa a la transmisión por semilla, una eficiente dispersión horizontal. Existen posibles vectores horizontales en los bosques tropicales, tanto bióticos (fitófagos por ejemplo), como abióticos (agua, viento), los cuales no han sido estudiados al respecto.
El muestreo de los hongos endófitos. El muestreo tradicional de hongos endófitos se basa en el uso de medios artificiales de agar con diferentes nutrientes y antibióticos. Existen numerosos protocolos para elaborar tales medios que permiten el crecimiento selectivo de hongos endófitos. En general, el procedimiento consiste en esterilizar superficialmente el material vegetal que se desea examinar y ponerlo en cajas de Petri con el medio escogido. Esta preparación se mantiene en condiciones controladas hasta que los endófitos colonicen el medio.
La metodología de muestreo basada en medios de cultivo presenta varios inconvenientes, entre los que se destaca el que no todos los microorganismos crecen en medios artificiales (Fuhrman y Campbell, 1998). Esto hace que la detección de muchos de ellos no sea posible mediante el cultivo en el laboratorio, lo que conlleva a una subestimación de la diversidad microbiana endófita. Posibles soluciones a este problema son el uso de técnicas moleculares que permitan detectar la presencia de los microorganismos sin necesidad de crecer los individuos mediante la amplificación de su ADN, y/o la optimización de los métodos de muestreo tradicionales. Este último aspecto ha sido abordado y es claro que es posible obtener mejores resultados al modificar la forma de muestreo, específicamente al reducir el tamaño de la muestra y cubrir mayor área vegetal. En efecto, Lodge et al. (1996) sugieren que para muestrear mejor la comunidad de hongos endófitos en una especie tropical arbórea, es mejor tomar pocas muestras de muchos árboles, lo que significa cubrir un área mayor. Aunque dichos autores no mencionan la importancia del tamaño de la muestra, nuestro trabajo con varias especies tropicales indica claramente que al subdividir un área dada se obtienen más endófitos, debido a que hay una relación directa entre el aumento en el perímetro de la muestra y el número de endófitos recuperados (Gamboa et al., 2002).
NATURALEZA DE LA INTERACCIÓN PLANTA HONGO ENDÓFITO
La hipótesis mutualista. ¿Cómo saber si una relación entre una planta y un hongo endófito es mutualista? En tal situación la eficiencia (capacidad de sobrevivir y reproducirse), de cada uno de los miembros debería ser mayor cuando están asociados que cuando están viviendo libremente. Sin embargo, esto no es fácil de probar, dado que en algunos casos el componente fúngico de esta simbiosis no vive o es difícil de encontrar libre en la naturaleza. Algunos pastos y hogos endófitos de las zonas templadas constituyen un modelo ampliamente estudiado, del cual proviene la mayor evidencia para postular que esta relación es mutualista. Los estudios pioneros son de la zona templada y sirven como marco de referencia, siendo citas obligadas en este campo los trabajos de Cheplick y Clay (1988), Clay (1988, 1990), Clay et al. (1985; 1993) y Johnson et al. (1985). Otros estudios han usado árboles de la zona templada (Quercus spp. y Pinus spp.), pero en ellos no se encontró evidencia de protección contra herbivoría por parte del hongo (Gaylord et al., 1996; Hata y Futai, 1995).
El efecto protector de los endófitos sobre pastos de la zona templada, ha sido reportado por Johnson et al. (1985) y Clay et al. (1985), quienes usaron como herbívoros especies de áfidos y larvas de mariposa, respectivamente. En ambos casos, la mortalidad del herbívoro fue mayor cuando se alimentaba de plantas infectadas, aunque se pudieron detectar efectos variados de acuerdo a la combinación áfido planta (Johnson et al., 1985). También se han postulado otros beneficios para la planta hospedera de endófitos, como el aumento en el crecimiento de las plantas infectadas aun en ausencia de herbivoría (Clay, 1988) y una mayor resistencia a hongos patógenos (Christensen y Latch, 1991). Aunque los estudios demuestran claramente que los endófitos causan efectos negativos en los herbívoros (Clay et al., 1993; Johnson et al., 1985), siendo de aceptación general el postulado de un mutualismo basado en la defensa contra herbivoría (Clay, 1988), recientemente se ha cuestionado la significancia de estos hallazgos en sistemas naturales (Saikkonen et al., 1998). Es común que los ensayos realizados usen especies introducidas y/o que rara vez interactúan en condiciones naturales. Por ejemplo, Clay et al. (1993) reportan baja biomasa y alta mortalidad en espodóptera (Spodoptera frugiperda) cuando fueron alimentadas con festuca (Festuca arundinacea) infectada con hongos endófitos (Acremonium spp.). Festuca es un pasto del viejo mundo introducido en Norteamérica, mientras que espodóptera es un insecto nativo que raras veces forrajea en pastos, por lo cual tiene poca probabilidad de encuentro con festuca. Así las cosas, no hay evidencia que el resultado benéfico hallado en este sistema sea producto de coevolución mediada por un beneficio defensivo, ni que sea importante en la naturaleza (Saikkonen et al., 1998). El estudio más impactante en especies tropicales es el de Arnold et al. (2003), donde se detectó un antagonismo entre hongos endófitos naturales y agentes patógenos del cacao. Estos autores encontraron una relación inversa entre la frecuencia de los endófitos y la de los patógenos.
Latencia. Esta se define como el periodo comprendido entre el momento en que un patógeno penetra la planta y el momento en que comienza la relación parasítica (Verhoeff, 1994). Según dicha definición la latencia se refiere a infecciones dormantes, asintomáticas, pudiéndose considerar a los microorganismos en tal situación como endófitos temporales. Muchos de los trabajos con latencia versan sobre frutas tropicales, como banano, plátano, mango y aguacate (Verhoeff, 1994), donde es muy común encontrar infecciones latentes de muchos microorganismos potencialmente dañinos como Colletotrichum gloeosporoides. Esta etapa latente es seguida por una infección activa cuando el fruto madura, lo que produce antracnosis, que es una de las infecciones más importantes en estas frutas (Dodd et al., 1992). Detectar el microorganismo en su estapa asintomática permitirá prevenir pérdidas económicas, de ahí la importancia de los estudios en este grupo. Otro caso importante de endófitos, latencia y cultivos, se encuentra en las infecciones asintomáticas por Fusarium moniliforme en maíz. Este hongo causa pudrición de granos, raíces, tallos y plántulas, además de producir cinco tipos de toxinas (Bacon y Hinton, 1996). Tales toxinas se han implicado en la producción de cáncer de esófago en Suráfrica (Rheeder et al., 1992). Existe evidencia que F. moniliforme puede ser más común como endófito que como patógeno en zonas templadas y tropicales. En un estudio realizado en zona templada, por ejemplo, se aisló Fusarium de todos los órganos de todas las plantas muestreadas y se obtuvieron dos o más cepas de la mayoría de las plantas (Kedera et al., 1994). Así mismo, en un estudio en Nigeria, la mayoría de granos sanos y plántulas asintomáticas de maíz presentaron F. moniliforme como endófito (Thomas y Buddenhagen, 1980). En las infecciones asintomáticas en maíz, las hifas crecen intercelularmente, mientras que en las patógenas el crecimiento es además intracelular (Bacon y Hinton, 1996). Dado que hay crecimiento activo del hongo, puede haber producción de micotoxinas también. Esto sugiere que puede existir contaminación por estas toxinas en el maíz y sus derivados sin que haya evidencia de infección fúngica. Se sugiere que los programas de mejoramiento del maíz, que se enfocan particularmente hacia las enfermedades visibles causadas por Fusarium, se dirijan también hacia las infecciones endófitas (Bacon y Hinton, 1996). Desafortunadamente, ni los trabajos de latencia en Colletotrichum ni los de Fusarium en maíz han sido integrados en la literatura de hongos endófitos. Los únicos trabajos abordados y citados en cultivos, son los realizados en pastos.
]]> Efectos fisiológicos en el hospedero. Los hongos son microorganismos con gran capacidad de influir el destino y la disponibilidad de los nutrientes en un ecosistema (Lodge y Cantrell, 1995), por lo que es viable pensar que su presencia tenga repercusiones fisiológicas en el hospedero. Por ejemplo, las especies de endófitos pueden afectar diferencialmente la tasa de uso de fotosintatos, ya que las especies varían en sus requerimientos y preferencias nutritivas. Esto podría afectar al hospedero, al inducir agotamiento de ciertos productos y/o acumulación de otros, de acuerdo con la presencia y/o dominancia de ciertos endófitos. Nuestros estudios indican que los hongos endófitos no afectan la tasa fotosintética de sus hospederos naturales en el estadío de plántula (GamboaGaitán et al., 2005b), aunque recientemente se reporta el efecto negativo de los endófitos en plantas tropicales de interés comercial (RodriguesCosta et al., 2000). Una reciente publicación en cebada, reporta el aumento de la tolerancia al estrés salino y de la resistencia a enfermedades por parte de la planta gracias a la presencia de un endófito de raíz (Waller et al., 2005). De otra parte, los hongos endófitos también producen metabolitos secundarios que pueden proteger la planta contra herbívoros (Clay et al., 1985; Clay, 1988). Si el recambio espaciotemporal de especies endófitas modifica la calidad y/o cantidad de tales metabolitos, entonces es posible que el hospedero tenga fluctuaciones temporales en la sensibilidad a herbívoros. La importancia de este aspecto es innegable, al menos para la planta. Desafortunadamente, no se sabe si la producción de toxinas in vivo alcanza cantidades fisiológicamente activas (Lodge et al., 1996), por lo que en este campo hay más especulaciones que datos reales, especialmente para especies tropicales. Un aspecto interesante pero poco explorado, es el de la interacción fisiológica de los miembros de esta simbiosis, la cual debe ser muy intensa dada la asociación celular cercana. Numerosas e interesantes preguntas emergen en este campo, tales como ¿qué papel juegan los hongos en la senescencia de las hojas?, ¿qué estrategia adoptan los endófitos ante la inminencia de la caída foliar?, ¿cómo interactúan las rutas bioquímicas secundarias de estos dos tipos de organismos tan químicamente activos? El tema es de tan crucial importancia para la existencia de esta simbiosis, que se ha postulado recientemente que el estado fisiológico de la planta determina si la relación será de carácter mutualista o parasítico (Redman et al., 2001).POTENCIAL DEL MODELO PLANTA HONGO ENDÓFITO Y ESTUDIOS FUTUROS
Importancia agropecuaria de los endófitos. La relevancia de los endófitos para la ganadería es evidente, por cuanto se ha reportado intoxicación de ganado por las toxinas producidas por dichos microorganismos (Bacon et al., 1977; Cockrum et al., 1994), y en algunos países desarrollados se estima que las pérdidas oscilan entre 200 y 800 millones de dólares anualmente (Hoveland, 1990). Los efectos de estos alcaloides incluyen toxicosis, necrosis, baja producción de leche, abortos, vasoconstricción, gangrena, pérdida de peso, temperatura alta y supresión de prolactina (Clay, 1988; Rottinghaus et al., 1991). No es probable que la industria ganadera de los trópicos sufra tanto por estos microorganismos, aunque el estudio de este tema se encuentra en un estado incipiente. Algunos reportes existen para zonas subtropicales de Suramérica (Cabral et al., 1999), así como en los Andes (Tapia, 1971; PérezArbeláez, 1978; Davidse et al., 1994), donde se mencionan casos de pastos venenosos para el ganado que probablemente contienen endófitos y sus alcaloides. Estos pastos tropicales de importancia económica usados como forraje han sido poco estudiados en este aspecto, aunque es justo en este grupo donde más claramente se observa el mutualismo entre los hospederos y sus endófitos (Johnson et al., 1985; Clay et al., 1985; Clay, 1988). Es probable que en los pastos tropicales con fotosíntesis C3, que pueden considerarse fisiológicamente similares a los de zonas templadas, se pueda presentar una situación similar.
Estudios realizados con plantas forrajeras leguminosas (Brachiaria), muestran que los áfidos prefieren plantas no infectadas (CIAT, 1998). Existe varios ejemplos en la literatura que ilustran bien el potencial económico de los endófitos en este campo (Tabla 1). Una planta forrajera usada en Australia (Lupinus angustifolius, Fabaceae), que se usa para alimentar ovejas, suele contener el hongo endófito Phomopsis leptostromiformis. Este microorganismo produce fomopsinas, toxinas hepatocarcinógenas debido a su actividad antimitótica (Gallagher et al., 1994), que afectan al ganado ovino. Todas las plantas útiles tropicales estudiadas al respecto han mostrado hongos endosimbiontes que pueden tener importancia económica. Se han detectado hongos endófitos en plantas como Stylosanthes (Pereira et al., 1993), tabaco (Spurr y Welty, 1975), tomate y pimentón (Ribeiro y Bolkan, 1981a; Ribeiro et al., 1982), banano (GamboaGaitán, comunicación personal; Ribeiro y Bolkan, 1981b), maíz (Fisher et al., 1992), arroz (Fisher y Petrini, 1992), Lupinus (Cockrum et al., 1994), café (Santamaría y Bayman, 2005, Rehner et al., 2006; GamboaGaitán, comunicación personal) y cacao (Arnold et al. 2003). Tanto en el estudio con arroz como con café se encontraron endosimbiontes saprófitos y otros potencialmente patógenos, mientras que el estudio de Rehner et al. (2006) mostró la existencia de cepas de Beauveria bassiana con capacidad de biocontrol de insectos barrenadores. Adicionalmente, existe un reporte de un producto nematicida obtenido a partir de Phomopsis phaseoli, un hongo endófito de un árbol tropical. El producto aislado fue el ácido 3hidroxipropiónico, y mostró actividad contra Meloidogyne incognita, aunque curiosamente, el hongo fue aislado de órganos aéreos de la planta (Schwarz et al., 2004).
Usos biotecnológicos. La presencia de toxinas y metabolitos secundarios con efectos fisiológicos sobre otros organismos, conduce a otra pregunta obvia: ¿cúal es el potencial biotecnológico de los endófitos? Un posible campo de acción, de las propiedades de los endófitos, es en la protección de cultivos mediante la producción de metabolitos que evitan o disminuyen tanto la herbivoría como la susceptibilidad a patógenos y a tensión ambiental (por ejemplo, a sequía). Ya existen semillas disponibles en el comercio que están infectadas con endófitos, los cuales le proveen a la planta más resistencia contra herbívoros y disminuyen la cantidad de insecticidas que hay que suministrar. De otra parte, es posible que otros compuestos del metabolismo de los hongos endófitos tengan usos industriales y medicinales, lo que constituye un estímulo adicional para estudiar este grupo (Strobel, 1996; Strobel y Long, 1998). Un ejemplo sobresaliente es el del taxol, un diterpenoide muy eficaz como agente antitumoral producido por la corteza del árbol Taxus brevifolia, pero que también es producido por uno de sus hongos endófitos, Taxomyces andreae (Stierle et al., 1993). Otro ejemplo, la familia Xylariaceae, una de las más comunes en los endófitos tropicales, la cual produce abundantes sustancias bioactivas como citocalasinas y griseofulvinas (Whalley y Edwards, 1987). Es importante anotar que los microorganismos endosimbiontes de los hongos también pueden ser productores de sustancias químicas fisiológicamente activas, que podrían explicar algunas propiedades atribuídas inicialmente al hongo. Recientemente, PartidaMartínez y Hertweck (2005), mostraron en un estudio con hongos del género Rhizopus (grupo comúnmente asociado a plantas), que la toxina atribuída al hongo (rizoxina), era en realidad sintetizada por bacterias endosimbiontes del género Burkholderia.
Uso de endófitos en la industria. Los beneficios provenientes de la ciencia y la tecnología siempre han estado acompañados por la contaminación que de ellas se deriva. La industria del petróleo, por ejemplo, es una de las principales contaminantes del ambiente, por lo que se ha investigado bastante acerca del posible uso de los microorganismos para degradar tales contaminantes a metabolitos menos tóxicos y persistentes, en el proceso conocido como biorremediación (Atlas y Cerniglia, 1995). Dado que la tecnología para la industria petrolera se desarrolló en los países del norte, es en la zona templada donde más se han realizado ensayos para detectar microorganismos biorremediadores. Algunos ejemplos son hongos de los géneros Phanerochaete y Cunninghamella, los cuales muestran actividad enzimática en la degradación de contaminantes (Bogan y Lamar, 1996; Bayman y Bennett, 1998). En los trópicos, sin embargo, estos estudios han sido poco abordados, pero los pocos datos existentes muestran un buen potencial de las especies de esta zona. Se han aislado dos hongos endófitos a partir de algas marinas tropicales, los cuales han mostrado algún tipo de actividad en la descomposición de hidrocarburos como el fenantreno. Estas propiedades hacen de dichos hongos organismos potencialmente útiles para descontaminar cuerpos de agua de hidrocarburos. Uno de ellos pertenece al género Xylaria y el otro aún no ha sido identificado (Acevedo, comunicación personal).
Otro uso potencial de los endófitos es como vector de genes. La transmisión vertical de algunos hongos Acremonium se realiza prácticamente como si fueran organelos (Clay, comunicación personal). Los hongos son más manipulables genéticamente que las plantas que habitan (particularmente que los pastos), por lo que Clay sugiere que en lugar de transformar una planta se podrían tarnsformar sus endófitos, inocularlos y obtener la expresión en la planta. Algunos cultivos tropicales importantes carecen de sistemas de transformación genética, por lo que esta ruta podría ser una alternativa viable. Sin embargo, todavía no existe evidencia de transmisión vertical de endófitos en plantas tropicales (Bayman et al., 1998).
Efectos inesperados en la ciencia. La gran mayoría de los investigadores ven cada planta como un individuo y no como una comunidad. La verdad es que una sola planta es un ecosistema que incluye hongos, bacterias, nemátodos y más microorganismos. Ignorarlos puede tener consecuencias científicas desastrosas. Por ejemplo, varios estudios filogenéticos de plantas produjeron resultados basados en el aislamiento y amplificación del ADN fúngico en lugar del material genético vegetal. Las secuencias del espaciador interno transcrito del ADN ribosomal de la conífera Picea engelmannii, fueron en realidad del hongo endófito Hormonema dematioides (Camacho et al., 1997). Así mismo, en un estudio filogenético de bambúes, el ADN secuenciado fue el de sus hongos endófitos (Zhang et al., 1997). Estos investigadores pagaron un precio alto por no considerar las relaciones íntimas entre las plantas y sus endófitos. Es muy probable que parte de la literatura botánica, especialmente la que respecta al análisis del material genético, presente datos que estén influenciados por los microorganismos endófitos de las plantas estudiadas.
Perspectivas. A pesar que no se puede establecer en la actualidad una relación mutualista entre plantas y hongos endófitos tropicales, la cual podría estar basada en la producción de metabolitos fúngicos que protegerían a la planta, es innegable el hecho que los hongos son fábricas de sustancias químicamente activas. Los potenciales son enormes y posibles campos de acción para las drogas y rutas metabólicas fúngicas son la agronomía (compuestos antiherbivoría), la medicina (anticancerígenos como el taxol) y la biorremediación. Como puede verse, los hongos endófitos constituyen un grupo modelo para estudiar aspectos aplicados (el aumento de la productividad del ganado) y teóricos (evolución de la simbiosis, interacciones planta microbio). Es evidente que mucho trabajo resta por hacer en este campo, por lo que es necesario enfocar la investigación en aspectos prioritarios tales como:
— Catalogación y descripción de especies en sus hospederos naturales.
]]> — Optimización de métodos y medios para aislar y cultivar endófitos.— Estudios de la composición y estructura de las comunidades endófitas.
— Identificación de taxones con potencial económico (por ejemplo, hongos xilariáceos) y estudio en el laboratorio y el campo de su papel ecológico y su capacidad de producir sustancias químicamente activas.
— Estudios de la sucesión natural de las comunidades de endófitos en la naturaleza y su rol en el ensamblaje del ecosistema.
— Efectos fisiológicos de los endófitos sobre sus hospederos naturales y las consecuencias sobre la eficiencia de éstos.
AGRADECIMIENTOS
El presente trabajo forma parte de la investigación en hongos endófitos tropicales financiada con aportes de los programas NASAEPSCOR y FIPI de la Universidad de Puerto Rico, y de la DIB de la Universidad Nacional de Colombia. Se agradece a P. Bayman, M. Aide, E. Meléndez, N. Fetcher y G. Toranzos, por sus comentarios a lo largo de la elaboración del trabajo y por revisar versiones previas de este manuscrito.
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