Aminoácidos como herbicidas para el control de malas hierbas parásitas

Los aminoácidos son componentes básicos de las proteínas en los organismos vivos. En suelos agrícolas se presentan como intermediarios en el ciclo del nitrógeno entre la degradación de la materia orgánica y las formas de nitrógeno mineralizado. Los aminoácidos aparecen además en la rizosfera como resultado de la lisis y el eflujo de células microbianas y vegetales. Los aminoácidos afectan la rizosfera influenciando la motilidad, el desarrollo de colonias o la esporulación microbiana. Además, ciertos aminoácidos tienen función en la colonización de nichos ecológicos a través de un efecto tóxico para la comunidad microbiana y vegetal al ser depositados en el suelo por especies de microbios y plantas que no sucumben a su propia toxicidad.

El efecto tóxico en plantas de algunos aminoácidos es causado por una retroalimentación negativa de la biosíntesis de aminoácidos de la misma familia a la que pertenece el aminoácido que induce el efecto inhibidor. Por ejemplo, presencia de isoleucina en la rizosfera de determinadas especies de plantas provoca en ellas la inhibición de la enzima acetolactato sintasa (ALS) clave en la ruta de biosíntesis de aminoácidos de cadena ramificada causando la inhibición del crecimiento de dichas plantas debido a inanición de otros aminoácidos también productos de dicha ruta de biosíntesis como valina y leucina. La acción sobre malas hierbas de algunos herbicidas tradicionales como el glifosato y las imidazolinonas se basa en un concepto similar al inhibir enzimas en las rutas de biosíntesis de aminoácidos aromáticos y de cadena ramificada respectivamente.

El efecto inhibidor del crecimiento de plantas causado por determinados aminoácidos en la rizosfera es especie-específico, dependiendo la eficacia herbicida de cada aminoácido de la especie vegetal expuesta. Un determinado aminoácido puede ser tóxico para una determinada especie vegetal y ser inocuo para otra. La acción herbicida especie-específica de los aminoácidos puede ser utilizada para diseñar estrategias de control de malas hierbas que no tengan efecto perjudicial para el cultivo ni otras especies no dianas y por tanto respetuosas con la biodiversidad del agroecosistema.

En el Instituto de Agricultura Sostenible IAS-CSIC trabajamos para diseñar métodos de control de malas hierbas, sostenibles y respetuosos con el medioambiente. Entre las especies de malas hierbas objeto de nuestros estudios están las malas hierbas parásitas conocidas comúnmente como jopos, pertenecientes a los géneros Orobanche y Phelipanche. Existen 7 especies de jopo que causan graves pérdidas de rendimiento en importantes cultivos principalmente de las familias Asteraceae, Brassicaceae, Apiaceae, Fabaceae, Solanaceae en Europa, el área mediterránea y Asia. Entre ellas, las especies de jopo más comunes y dañinas en España son Orobanche crenata que infecta las leguminosas como habas, guisantes, vezas y yeros, Orobanche cumana que infecta al girasol y Phelipanche ramosa que infecta los cultivos de tabaco, cáñamo y una variedad de cultivos hortícolas como el tomate. El jopo, al ser una mala hierba parásita obligada, se alimenta invadiendo el sistema vascular del cultivo para extraer nutritientes y agua. Para maximizar la probabilidad de establecimiento, su germinación se inicia tras la detección de moléculas exudadas por las raíces de cultivos. Después de la germinación, la radícula desarrolla un haustorio invasivo con funciones de anclaje a la superficie de la raíz huésped, y posterior penetración y conexión vascular. El fallo del parásito en los estados previos a la conexión vascular conduce a la muerte del parásito y por ello son los mas susceptibles a las estrategias de control.

Entre las líneas de investigación que el IAS-CSIC desarrolla para el control de jopo, una de ellas tiene como objeto identificar y caracterizar moléculas naturales con efecto herbicida sobre estados de desarrollo de jopo previos a la conexión vascular con el cultivo. Una reciente investigación desarrollada en el IAS-CSIC como Trabajo Fin de Master (TFM) del Máster Universitario en Biotecnología de la Universidad de Córdoba, ha caracterizado el efecto de veinte aminoácidos sobre el crecimiento de la radícula infectiva en dos especies jopo (Orobanche cumana y Phelipanche aegyptiaca) y en Striga hermonthica una mala hierba parásita responsable de graves perdidas de producción en cereales en África. Este estudio ha identificado patrones diferenciales de inhibición de cada aminoácido sobre el crecimiento de distintas especies parásitas con potencial para desarrollar herbicidas específicos.

Esta estrategia también tiene el potencial de desarrollar herbicidas con baja persistencia en el suelo, ya que los aminoácidos aplicados serán metabolizados rápidamente por los microbios en el suelo. Distintas estrategias pueden utilizarse para la aplicación de aminoácidos a la radícula de jopo tales como herbigación a través de riego por goteo o revestimiento de la semilla del cultivo con aminoácidos herbicidas. También, podrían utilizarse patógenos específicos de jopo o microorganismos antagonistas por ejemplo especies de Fusarium y Pseudomonas, aumentando su eficacia de biocontrol mediante la selección de variantes de dichos microorganismos con la capacidad de excreción de aminoácidos de tipo orobanquicida. Por ultimo, también podría usarse una estrategia de cultivo intercalado de especies susceptibles a jopo con especies alelopáticas cuyos exudados radicales contengan aminoácidos orobanquicidas. Por ejemplo, las raíces de trébol exudan altas concentraciones de glicina, un aminoácido inhibidor de la germinación de Phelipanche ramosa y, en consecuencia, el cultivo intercalado de trébol con una especie susceptible a jopo podría reducir la infección.

Los aminoácidos son componentes básicos de las proteínas en los organismos vivos. En suelos agrícolas se presentan como intermediarios en el ciclo del nitrógeno entre la degradación de la materia orgánica y las formas de nitrógeno mineralizado. Los aminoácidos aparecen además en la rizosfera como resultado de la lisis y el eflujo de células microbianas y vegetales. Los aminoácidos afectan la rizosfera influenciando la motilidad, el desarrollo de colonias o la esporulación microbiana. Además, ciertos aminoácidos tienen función en la colonización de nichos ecológicos a través de un efecto tóxico para la comunidad microbiana y vegetal al ser depositados en el suelo por especies de microbios y plantas que no sucumben a su propia toxicidad.

El efecto tóxico en plantas de algunos aminoácidos es causado por una retroalimentación negativa de la biosíntesis de aminoácidos de la misma familia a la que pertenece el aminoácido que induce el efecto inhibidor. Por ejemplo, presencia de isoleucina en la rizosfera de determinadas especies de plantas provoca en ellas la inhibición de la enzima acetolactato sintasa (ALS) clave en la ruta de biosíntesis de aminoácidos de cadena ramificada causando la inhibición del crecimiento de dichas plantas debido a inanición de otros aminoácidos también productos de dicha ruta de biosíntesis como valina y leucina. La acción sobre malas hierbas de algunos herbicidas tradicionales como el glifosato y las imidazolinonas se basa en un concepto similar al inhibir enzimas en las rutas de biosíntesis de aminoácidos aromáticos y de cadena ramificada respectivamente.