11.2 Enfermedades fungosas

11.2.1 Principios de la infección
11.2.2 Rol del silicio
11.2.3 Rol del nitrógeno y del potasio
11.2.4 Rol del calcio y otros nutrientes minerales
 

11.2.1 Principios de la infección

Por lo general, la germinación de las esporas en las superficies laminares y radicales es estimulada por la presencia de exudados vegetales. El flujo de exudados contribuye al éxito ó fracaso de la infección en la mayoría de enfermedades fungosas debidas a patógenos del aire y del suelo. La tasa del flujo y composición de los exudados depende de la concentración celular y del correspondiente gradiente de difusión (Fig. 11.2). Las concentraciones de azúcares y aminoácidos son altas en hojas, por ejemplo, cuando el potasio es deficiente. Las concentraciones de fotosintatos en el apoplasto y en la superficie foliar –y también en la superficie radical- dependen de la permeabilidad de la membrana plasmática. En promedio, las concentraciones de aminoácidos y azúcares en el apoplasto de ambos tejidos foliar y caulinar están en el rangote 1-8 mм pero pueden elevarse considerable con la deficiencia de calcio ó boro (lo que causa la incrementada permeabilidad de la membrana) y la deficiencia de potasio (que deteriora la síntesis de polímeros).

Fig. 11.2 Representación esquemática de la penetración de hifas fungosas en la superficie foliar hacia la capa de células epidérmicas (apoplasto), y de algunos factores que afectan la penetración y tasa de crecimiento de las hifas y que están estrechamente relacionados con la nutrición mineral.

La concentración de los asimilados solubles en el apoplasto del hospedero es un factor importante para el crecimiento del parásito y las fases de posinfección. Solo un pequeño grupo de fitoparásitos son verdaderamente intracelulares con acceso directo a los asimilados en el simplasto. Algunos parásitos, como el mildeo polvoso en cebada, tienen solo acceso a las células epidérmicas. En estos casos, las propiedades físicas y químicas de las células epidérmicas son de mucha mayor importancia con respecto a la susceptibilidad y resistencia que aquellas del tejido foliar total. En células epidérmicas de cebada, más del 90% de los carbohidratos solubles son β-cianoglucósidos que probablemente son de particular importancia en la resistencia contra el mildeo polvoso. Las células epidérmicas de las hojas, y tallos y raíces también están caracterizadas por contenidos muchos mayores de compuestos fenólicos y flavonoides (i.e., sustancias con notables propiedades fungistáticas). Está bien documentado el rol de los nutrientes minerales en el metabolismo de los fenoles, y los ejemplos de la acumulación de fenoles han sido discutidos en relación a la deficiencia de boro y cobre (Capitulo 9).

La mayoría de hongos y también bacterias parásitos invaden el apoplasto al liberar enzimas pectolíticas, que disuelven la lamela media (Fig. 11.2). La actividad de estas enzimas es fuertemente inhibida por el Ca²⁺, lo que explica las estrechas correlaciones entre el contenido de calcio de los tejidos y su resistencia a enfermedades fungosas y bacterianas (ver Sección 11.2.4).

Durante la infección suceden un rango de interacciones entre las hifas y las células hospederas (Fig. 11.2). Los mecanismos inducibles de resistencia están principalmente asociados con la epidermis, la efectividad de estos mecanismos depende del tipo de patógeno y de la resistencia del hospedero. Los nutrientes minerales y el estado nutricional mineral vegetal están involucrados en estos mecanismos. Las enzimas pécticas de los parásitos no solo disuelven la lamela media sino que estas enzimas, ó los productos del rompimiento de la pectina, también incrementan la permeabilidad pasiva de la membrana plasmática y realzan el eflujo de K⁺ y el influjo de H⁺ lo que probablemente provoca reacciones de hipersensibilidad como la necrosis localizada. En otro hongo patogénico como la mancha foliar (Helminthosporium cynodontis Marig.) las toxinas fungosas indujeron este realzado eflujo de K⁺ y el agotamiento de potasio en células y tejidos infectados. Por consiguiente, la severidad de los síntomas de enfermedad (manchas foliares) se disminuyó fuertemente con el incremento en el contenido de potasio de las hojas.

Los compuestos fenólicos juegan un rol clave en las etapas iniciales de infección (Fig. 11.2), cualquier como fitoalexinas ó como precursores de la síntesis de lignina y suberina. Por ejemplo, los glucanos de la pared celular de Phytophthora megasperma  elicitan la síntesis de isoflavonas que funcionan como fitoalexinas y simultáneamente conducen a una rápida y masiva acumulación de polímeros fenólicos en los sitios de infección. Dentro de unas pocas horas después de la infección es transmitida una “señal” a hojas no infectadas lo que también incrementa su síntesis de fenoles. Ya que varios nutrientes minerales, el boro y el cobre en particular, tienen una profunda influencia en la biosíntesis y también en la forma de ligamiento de los fenoles (Sección 9.3 y 9.7) el estado nutricional vegetal influencia estas respuestas de defensa, como se ha discutido para boro por Lewis (1980b). El contenido de fenólicos es también frecuentemente alto en plantas deficientes en nitrógeno y ambos el contenido de estas sustancias y sus efectos fungistáticos pueden disminuir cuando el suministro de nitrógeno es grande. Se ha observado una relación negativa entre el creciente suministro de nitrógeno y el contenido de la fitoalexina stilben y la resistencia al mildeo polvoso en hojas de vid.

En respuesta a la infección del patógeno en muchos casos también se incrementa la producción de radicales de oxígeno (e.g., O e OH^-) y peróxido de hidrógeno (H₂O₂) como un componente de las respuestas de defensa vegetales. Esta respuesta puede contribuir a las reacciones de hipersensibilidad (oxidación de los lípidos de membrana, conduciendo a la muerte celular), iniciación de la lignificación de la pared celular, y daño al patógeno. En vista del rol del cobre, zinc, hierro y manganeso en ambos la generación y detoxificación de los radicales de oxígeno y peróxido de hidrógeno, la resistencia vegetal está marcadamente influenciada por la nutrición mineral al nivel de las interacciones planta hospedera-patógeno.

En tejidos (particularmente hojas) maduros, la lignificación ó la acumulación y deposición del silicio en la capa celular epidérmica ó ambos procesos, pueden formar una efectiva barrera física contra la penetración hifal (Fig. 11.2). Ambos la lignificación y la deposición de silicio son afectados por la nutrición mineral en varias formas. Estos procesos proporcionan la principal resistencia estructural vegetal contra enfermedades (y plagas), especialmente en las hojas de pastos, y en la endodermis de las raíces (Sección 10.3.2).

11.2.2 Rol del silicio

Los pastos en general y el arroz de aniego en particular son típicas plantas acumuladoras de silicio (Sección 10.3). Como el suministro de silicio se incremente, el contenido de silicio de las hojas también se eleva, induciendo una correspondiente declinación en la susceptibilidad a enfermedades fungosas como el tizón del arroz (Fig. 11.3). El incremento en la resistencia (que se manifiesta por si misma mediante una caída en el número de manchas de ojo) parece estar relacionada directamente con la concentración de silicio en la solución externa y en las hojas.

Fig. 11.3 Contenido de silicio y susceptibilidad al hongo del tizón (Pyricularia oryzae Cav.) en hojas de arroz completamente expandidas. (Modificado a partir de Völk et al., 1958.)

Son también evidentes las limitaciones del silicio para el control de enfermedades fungosas en la Fig. 11.3. El silicio es translocado en el xilema preferentemente a las hojas maduras (Sección 3.2.4). La infección del tizón del arroz, sin embargo, sucede principalmente en las hojas jóvenes. Como se muestra el la Fig. 11.4, con la maduración (expansión completa cerca del día 8) y el envejecimiento de las hojas, se incrementa rápidamente la resistencia y se vuelve virtualmente completa independiente de si el suministro de silicio es alto ó bajo. No obstante, es sustancial el efecto del silicio en la resistencia de las hojas jóvenes y su aplicación debe casi eliminar los efectos de la realzada susceptibilidad al hongo del tizón del arroz cuando son suplidos altos niveles de nitrógeno. Este profundo efecto inhibidor del silicio en las enfermedades fungosas no está confinado a especies gramíneas que son típicas acumuladoras de silicio sino también está bien documentado en otras especies en la protección contra el mildeo polvoso, como por ejemplo en pepino, ó en vid.

Fig. 11.4 Declinación en el número de lesiones mancha de ojo (lo que indica incrementada resistencia al hongo del tizón) con la edad de las hojas de arroz y concentración de silicio en la solución nutritiva de 3 mg Si l^-1 y 59 mg Si l^-1. (Modificado de Volk et al., 1958).

La formación de una barrera física en las células epidérmicas contra la penetración de las hifas (Fig. 11.2) ó de insectos como áfidos (Sección 11.5) no es, sin embargo, el único mecanismo por el que el silicio contribuye a la resistencia vegetal contra enfermedades y plagas. Hay también involucrado un componente mucho más dinámico de redistribución del silicio alrededor de la cuña de infección. Por ejemplo, en trigo el silicio se acumula en los sitios de penetración hifal del mildeo polvoso y en cebada en 20 h esta acumulación es 3-4 veces superior alrededor de los sitios de infección no exitosos que alrededor de los exitosos. Esta acumulación preferencial del silicio en el punto de penetración del patógeno requiere de un continuo suministro de silicio desde las raíces ó de aspersiones foliares de silicio, indicando que después de la deposición y polimerización en el tejido foliar este silicio no puede ser removilizado.

A pesar de las estrechas relaciones entre la acumulación del silicio en los sitios de penetración y la inhibición del crecimiento hifal y de la formación de haustorios, no es que el silicio por si mismo tenga un efecto perjudicial sino obviamente los fenólicos que se acumulan en los sitios de infección (Fig. 11.5). No es clara la conexión causal entre el suministro de silicio y la acumulación de fenólicos en los sitios de infección; el silicio puede formar complejos débiles con los fenólicos (Sección 10.3) y por lo tanto realzar la síntesis y movilidad de los fenólicos en el apoplasto. La rápida deposición de los fenólicos ó lignina en los sitios de infección es un mecanismo de defensa general al ataque del patógeno y la presencia del silicio soluble obviamente facilita este mecanismo de resistencia.

Fig. 11.5 Efecto del suministro de silicio a segmentos foliares de pepino (Cucumis sativus) en la infección con Sphaerotheca fuliginea. (En base a Menzies et al., 1991)

11.2.3 Rol del nitrógeno y del potasio

Hay extensa literatura sobre el efecto de ambos nitrógeno y potasio en las enfermedades parasitas debido a que su rol al modular la resistencia a enfermedades es demostrado rápidamente y, además, es de particular importancia en la aplicación de fertilizantes. Sin embargo, los resultados son frecuentemente inconsistentes y en algunos casos discutibles, principalmente por dos razones: (a) No se ha enunciado claramente si los niveles de estos nutrientes minerales representan un suministro deficiente, óptimo ó excesivo (ver Fig. 11.1). (b) No se considera en el patrón de infección la distinción entre parásitos obligados y facultativos. Como se muestra en la Tabla 11.2, un alto suministro de nitrógeno incrementa la severidad de la infección por parásitos obligados pero tiene el efecto opuesto en las enfermedades causadas por parásitos facultativos, como Alternaria y Fusarium, y la mayoría de enfermedades bacterianas, por ejemplo, Xanthomonas spp. En contraste al nitrógeno, el potasio elicita respuestas uniformes: altas concentraciones incrementan la resistencia de las plantas hospederas a ambos parásitos obligados y facultativos. Para patógenos del suelo la situación es más compleja particularmente con el nitrógeno y por lo tanto las interacciones entre la nutrición mineral y las enfermedades fungosas y bacterianas del suelo son discutidas en una sección separada (11.4).

Las principales diferencias en la respuesta de los parásitos obligados y facultativos al nitrógeno son mostradas en la Fig. 11.6. La susceptibilidad de plantas de trigo a la roya del tallo, causada por un parásito obligado, se incrementa con el creciente suministro de nitrógeno, siendo las plantas deficientes en nitrógeno las más resistentes. En contraste, la susceptibilidad de plantas de tomate al manchado bacteriano foliar, causado por un parasito facultativo, se disminuye con el creciente suministro de nitrógeno hacia los niveles requeridos para el crecimiento óptimo de la planta hospedera.

Fig. 11.6 Número de pústulas de roya del tallo (Puccinia graminis ssp. tritici) en trigo (A) y número de lesiones necróticas causadas por el manchado bacteriano (Xanthomonas vesicatoria) en tomate (B) cultivados en soluciones nutritivas con creciente concentración de nitrógeno. D, deficiente; O, óptimo; L, lujo; E, excesivo. (En base a Kiraly, 1976)

Estas diferencias en la respuesta están basadas en los requerimientos nutricionales de los dos tipos de parásitos. Los parásitos obligados dependen de los asimilados suplidos por células vivas. Por el otro lado, los parásitos facultativos son semisaprofitos que prefieren tejido senescente ó que liberan toxinas a fin de dañar ó matar las células de la planta hospedera. Por lo general, todos los factores que apoyen las actividades metabólicas de las células hospedera y que retrasen la senescencia de la planta hospedera también incrementan la resistencia ó tolerancia a los parásitos facultativos.

El rol del nitrógeno en incrementar la susceptibilidad de las plantas hospederas a los parásitos fungosos obligados (Tabla 11.1) es cuestión de interés en ambas prácticas agrícola ú hortícolas. Este efecto está relacionado con ambos los requerimientos nutricionales del parásito y los cambios en la anatomía y fisiología de la planta hospedera en respuesta al nitrógeno. Como se discutió en la Sección 8.2, el nitrógeno en particular realza la tasa de crecimiento, y durante la etapa vegetativa de crecimiento la proporción de tejido joven a maduro cambia a favor del tejido joven, el cual es más susceptible. Además un incremento en la concentración de aminoácidos en el apoplasto y en la superficie foliar más que un incremento en la concentración de azúcares parece tener una mayor influencia en la germinación y crecimiento de las conidias. Cuando las plantas son suplidas con altas cantidades de nitrógeno, puede ser inferior la actividad de algunas enzimas clave del metabolismo de los fenoles, y el contenido de algunos fenólicos y de lignina. Esto es debido al menor contenido de fenoles que son los precursores en la biosíntesis de lignina, junto con la mayor proporción de tejido joven en las plantas cultivadas con alto nitrógeno (Sección 8.2.5). Por ejemplo, el contenido de lignina en las hojas de arroz de plantas suplidas con alto nitrógeno fue 500 μg por 100 g peso seco comparando con 1100 μg en plantas bajas en nitrógeno.

Una disminución en el contenido de silicio es otro cambio usualmente observado en plantas en respuesta al creciente suministro de nitrógeno. Esto, sin embargo, es una respuesta no específica referida como dilución por crecimiento. Los varios cambios anatómicos y bioquímicos junto con el incremento en el contenido de nitrógeno orgánico de bajo peso molecular como sustratos para los parásitos son los principales factores responsables de la estrecha correlación entre el suministro de nitrógeno y la susceptibilidad a los parásitos obligados.

Con el potasio la situación es más compleja. El potasio disminuye la susceptibilidad de las plantas hospederas a ambos tipos de parásitos. Esto efecto puede ser bastante dramático, como se muestra en la Fig. 11.7 para la pudrición del tallo en arroz. En esta situación la enfermedad puede ser controlada efectivamente mediante la aplicación de fertilizantes de potasio. En la mayoría de casos, el efecto del potasio está confinado al rango de deficiencia; esto es, las plantas deficientes en potasio son más susceptibles que las plantas suficientes en potasio a las enfermedades parásitas de ambos grupos. Por lo general, la susceptibilidad disminuye (i.e., se incrementa la resistencia ó tolerancia) en respuesta al potasio  en el mismo modo como el crecimiento vegetal responde al creciente suministro de potasio (Fig. 11.8). Más allá del suministro óptimo de potasio para el crecimiento, no puede conseguirse ulterior incremento en la resistencia al incrementar el suministro de potasio y su contenido en las plantas.

Fig. 11.7 Efecto del suministro de potasio sobre el rendimiento de grano y sobre la incidencia de pudrición del tallo (Helminthosporium sigmoideum) en arroz de aniego. Fertilización basal de nitrógeno y fósforo constante a 120 y 60 kg ha^-1, respectivamente. (Basado en Ismunadji, 1976)

Fig. 11.8 Severidad de la enfermedad de la mancha foliar (Helminthosporium cynodontis) y rendimiento materia seca en pasto Bermuda “Coastal” (Cynodon dactylon L. Pers.) versus contenido foliar de potasio. (Reproducido a partir de Matocha & Smith, 1980, con permiso de American Society of Agronomy)

Resultados similares a aquellos mostrados en la Fig. 11.8 se han obtenido con palma de aceite infectada con Fusarium y en trigo infectado con roya amarilla. En ambos casos, el incremento en la resistencia estuvo confinado al rango de deficiencia.

La alta susceptibilidad de las plantas deficientes en potasio a las enfermedades parásitas está relacionada con las funciones metabólicas del potasio (Sección 8.7). En plantas deficientes se deteriora la síntesis de compuestos de alto peso molecular (proteínas, almidón, y celulosa) y se acumula la síntesis de compuestos orgánicos de bajo peso molecular. En el rango de deficiencia un incremento en el suministro de potasio conduce por lo tanto a un incremento en el crecimiento y a una disminución en el contenido de compuestos orgánicos de bajo peso molecular hasta que el crecimiento es máximo. Un ulterior incremento en el suministro y contenido vegetal del potasio no tiene efecto sustancial sobre los constituyentes orgánicos vegetales y usualmente de este modo sobre la resistencia ó tolerancia. El patrón característico es dado en la Fig. 11.9.

Fig. 11.9 Esquema tentativo del crecimiento respuesta y principales cambios sobre composición vegetal con creciente suministro de potasio.

En el rango de deficiencia, el realce del crecimiento inducido por potasio también causa disminuciones no específicas en el contenido de otros elementos minerales (dilución por crecimiento). Más allá del crecimiento máximo puede continuar una ligera disminución en los niveles de otros cationes como calcio y magnesio debido a la competencia en los sitios de toma en las raíces (Sección 2.5). En plantas que reciben un suministro subóptimo de calcio puede por lo tanto incrementarse el riesgo de ambos de desordenes fisiológicos relacionados con el calcio y de susceptibilidad a enfermedades (ver Sección 11.2.4).

La relación entre el potasio y la resistencia es más compleja en semillas y frutos que son suplidos con potasio principalmente por retranslocación desde los órganos vegetativos. En ciertas variedades de soya la incidencia del marchitamiento de la vaina se incrementa rápidamente al final de la estación en las vainas superiores, y esto está correlacionado con una abrupta caída en el contenido de potasio en las vainas. Con una aplicación excepcionalmente alta de potasio al suelo (410- 1640 kg ha^-1) el porcentaje de semillas infectadas puede reducirse desde 75% a 13% mientras que el rendimiento de semilla se incrementó solo marginalmente.

11.2.4 Rol del calcio y otros nutrientes minerales

El contenido de calcio de los tejidos vegetales afecta de dos formas la incidencia de enfermedades parásitas. Primera, el calcio es esencial para la estabilidad de las biomembranas; cuando el contenido de calcio es bajo, se realza el eflujo de compuestos de bajo peso molecular (e.g., azúcares) desde el citoplasma hacia el apoplasto. Segunda, se requiere de poligacturonatos de calcio en la lamela media para la estabilidad celular (Sección 8.6). Muchos hongos y bacterias parásitas invaden el tejido vegetal al producir enzimas pectolíticas extracelulares como la poligalacturonasa, la cual disuelve la lamela media (Sección 11.3.2). La actividad de esta enzima es inhibida drásticamente por el calcio. La susceptibilidad vegetal a la infección con tales parásitos está por lo tanto inversamente relacionada con el contenido tisular de calcio, como se muestra en la Tabla 11.3. En este experimento la concentración total en la solución nutritiva de los tres cationes, K⁺, Ca²⁺, y Mg²⁺, se mantuvo constante y solo se altero la relación K⁺/Ca²⁺. De este modo una disminución en el contenido de calcio vegetal estuvo correlacionada con un incremento en el contenido de potasio. Los experimentos adicionales mostraron que un incremento en el contenido de potasio no condujo necesariamente a un incremento en la infección siempre y cuando el contenido de calcio se mantenga a un nivel alto.

En soya, la anormalidad del “tallo gemelo“ es endémica en muchos suelos tropicales ácidos. Se presenta necrosis del meristemo apical, y las plantas son simultáneamente infectadas fuertemente con Sclerotium ssp. El creciente suministro de calcio suprime ambos la infección fungosa y el tallo gemelo. Parece probable que la última anormalidad es el resultado directo de la deficiencia de calcio (síntomas que son la necrosis del meristemo apical y la perdida de dominancia apical) y que la infección fungosa es un evento secundario.

Varios hongos parásitos invaden preferentemente el xilema y disuelven las paredes celulares de los vasos conductores. Esto conduce al taponamiento y subsiguiente síntomas de marchitamiento (e.g., marchitamiento Fusarium). Comparando el grado de infección de la planta de tomate con Fusarium oxysporum  en relación al nivel de suministro de calcio, las plantas fueron infectadas severamente cuando la concentración de calcio en la savia del xilema estuvo debajo de 5 mM a bajo suministro externo. Sin embargo, a alto suministro externo de calcio, casi todas las plantas estuvieron saludables cuando la concentración de calcio en la savia del xilema se elevó a cerca de 25 mM .

Los tejidos vegetales bajos en calcio también son mucho más susceptibles que los tejidos con niveles normales en calcio a las enfermedades parásitas durante el almacenamiento. Esto es de particular interés en el caso de frutos frescos con su contenido de calcio típicamente bajo. Durante el almacenamiento los frutos son más susceptibles no solo a los llamados desordenes fisiológicos (Sección 8.6) sino también a las enfermedades fungosas que causan la pudrición del fruto (Fig. 11.10). El tratamiento con calcio a los frutos antes del almacenamiento es por lo tanto un procedimiento efectivo para evitar perdidas ambos a partir de desordenes fisiológicos y a partir de la pudrición del fruto.

Fig. 11.10 Relación entre el contenido de calcio en manzanas (cv. Cox orange) é incidencia de pudrición debida a la infección por Gloesporium perennans después de que las manzanas fueron almacenadas por 3 meses a 3ºC . (Modificado de Sharpless & Jonson, 1977)

Hay extensa literatura sobre los efectos de los micronutrientes en las enfermedades parásitas. De los varios mecanismos de defensa disponibles para las plantas los fenólicos y la lignina son los mejor entendidos, y de los micronutrientes, por lo menos el boro, manganeso y cobre juegan un rol clave en el metabolismo de fenoles y biosíntesis de lignina (Capitulo 9). Los micronutrientes también pueden afectar indirectamente la resistencia. En plantas deficientes no solo puede deteriorarse el mecanismo de defensa sino que frecuentemente las plantas también se hacen un sustrato más adecuado para la alimentación. Con la deficiencia de zinc, una fuga de azúcares hacia la superficie foliar de Hevea brasiliensis incrementa la severidad de la infección con Oidium. En plantas de trigo deficientes en boro la tasa de infección con mildeo polvoso es varias veces superior que en plantas suficientes en boro, y el hongo también se difunde más rápidamente en toda la planta.

El cobre ha sido usado extensamente como un fungicida, pero las cantidades requeridas son por lo menos 10-100 veces superiores a aquellas requeridas por las plantas y que son usadas, por ejemplo, como aspersiones foliares para corregir la deficiencia en cobre. Quizás la mejor evidencia de un efecto del cobre en la resistencia de la planta hospedera a la enfermedad es cuando el cobre es aplicado al suelo y deprime las infecciones foliares, por ejemplo del mildeo polvoso en trigo, ó para controlar patógenos del tallo mediante la aplicación foliar del cobre (Tabla 11.4). Para la depresión de patógenos caulinares y foliares, es frecuentemente más efectiva la aplicación foliar de cobre que la aplicación al suelo (Tabla 11.4) ya que la mayoría del cobre aplicado al suelo es enlazado fuertemente a la matriz del suelo. Los resultados en la Tabla 11.4 también ilustran que el rendimiento que se incrementa particularmente mediante la aplicación de fertilizantes de micronutrientes puede conseguirse mediante una combinación tanto mejorando el estado nutricional vegetal y por lo tanto su actividad metabólica y crecimiento, como suprimiendo enfermedades parasitas.

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