Amb qui competim per les plantes que ens alimenten?

Sota el lema “protegir les plantes per a protegir la vida”, les Nacions Unides a través de la FAO (Organització de les NU per a la Alimentació i l’Agricultura) han declarat el 2020 Any Internacional de la Sanitat Vegetal amb l’objectiu de sensibilitzar la població sobre la importància de la salut de les plantes.

De fet, la FAO està dedicant uns quants anys als aliments i recursos humans:

  • 2013 la quinoa i la cooperació en l’esfera de l’aigua
  • 2014 l’agricultura familiar
  • 2015 els sòls
  • 2016 els llegums
  • 2018 els camèlids
  • 2020 la sanitat vegetal
  • 2021 fruites i verdures
  • 2022 pesca y la aqüicultura

La salut de les plantes
Els conreus estan amenaçats per nombroses plagues i malalties, que han compromès, i podrien tornar a comprometre, la suficiència alimentaria de les poblacions humanes.

Recordem la fil·loxera (un insecte) que va començar a malmetre les vinyes franceses i després va passar a les vinyes de Catalunya, on va provocar migracions de pagesos cap a les ciutats, on van passar a ser mà d’obra industrial. Entre ells, la família de l’ecòleg Ramon Margalef.

Com també la plaga de la patata a Irlanda, provocada pel fong Phytophtora infestans que va atacar la base de l’alimentació, pràcticament un monocultiu. A causa de la gran fam, entorn un milió d’irlandesos van morir de gana i misèria, i un altre milió van emigrar a Estats Units, Canadà i Austràlia. I, de manera local, va provocar la reconversió dels conreus en pastures.

Per conèixer amb qui competim per les plantes que ens alimenten hem convidat Marc Valls, investigador del Centre de Recerca en AgriGenòmica (CRAG) i professor de la UB. Li hem demanat que ens expliqui com estudien les malalties de les plantes i com el seu coneixement es pot fer servir per lluitar contra les malures dels conreus.

Marc, en primer lloc declara unes premisses: considera un dels deures dels científics és transmetre el seu coneixement a la societat. I ens fa reflexionar que plantes i animals, inclosos els humans, depenem del mateix entorn per a sobreviure. De manera que cal integrar el concepte One Health: si no hi ha condicions pel desenvolupament de les plantes, no hi haurà menjar per als animals, ni per les persones; és a dir, que la manca de salut en els ecosistemes, directament o indirecta ens afectarà.

El problema
Marc ens proposa donar resposta a les preguntes amb un aprenentatge basat en problemes. I, per a això, ens presenta una imatge en què hi ha un camp de pebroteres separades en dos bancals; en el de l’esquerre, les plantes són esquifides, o bé han desaparegut; en el de la dreta, són frondoses. Els pebrots obtinguts de les plantes de l’esquerra també estan molt més malmesos, que no pas els de la dreta. Per què?

Pot faltar aigua? Es tracta de dos camps tractats de la mateixa manera, regats amb aigua de pluja. Com és que el paràsit no ha saltat de la meitat d’un camp a un altre? Poden ser dues varietats? El cas és que la malura ha fet que la producció del camp de la dreta entre cinc i deu vegades superior a la del camp de l’esquerra. Perquè les plantes de l’esquerra, han estat afectades per una malaltia a la que eren susceptibles. Ara bé, les plantes de la dreta són resistents al bacteri que provoca la “taca bacteriana” específic de la pebrotera.

L’estudi microbiològic
Des dels inicis de l’agricultura, de forma empírica i sense cap base teòrica, es van anar seleccionant les varietats que resistien millor les malalties. Des de fa un temps, la recerca va més enllà. Quan una planta està malalta, el primer que es fa és cultivar la zona malmesa per poder trobar quin és l’organisme que li provoca la malura. En el cas estudi dels pebrots, la “taca bacteriana” es tractava de Xanthomonas campestris, una espècie de bacteri que pot produir malalties a diversos vegetals. I que, en conseqüència, provoca una davallada important de la collita.

En cultivar-lo es veu que aquest bacteri secreta un mucílag, un polisacàrid que el protegeix de la defensa immunològica de la planta, i, també, en la fase en què està fora de la planta, en el sòl o en l’aigua. Ara bé, com el mucílag és un producte innocu per nosaltres, la goma xantana, de fa temps es fa servir com per espessir, per exemple, en la fabricació industrial de gelats.

En estudis de laboratori s’ha vist que el bacteri Xanthomonas campestris secreta també un arsenal d’enzims, bàsicament cel·lulases i poligalacturonases, és a dir, enzims que tallen les parets de les cèl·lules vegetals, així pot accedir a l’interior de la cèl·lula on provoquen la podridura de les plantes afectades.

Els postulats de Koch
Per saber que un microorganisme determinat és realment el causant d’una malaltia en un ésser viu, cal que segueixi els postulats de Koch per a les infeccions, establerts a finals del segle XIX. Bàsicament, el que diuen és que s’ha d’aïllar el microorganisme i, en inocular-lo en una planta sana, li hauria de provocar la malaltia. I, per tancar el cercle, cal tornar a aïllar el microorganisme en la segona planta afectada.

I això és el que fan en els laboratoris de fitopatologia: un cop aïllat el bacteri de plantes afectades, preparen una solució que el contingui amb la qual ruixen plantes susceptibles i plantes resistents. El que s’observa és que els símptomes que presenten les plantes susceptibles inoculades al laboratori són els mateixos de les plantes susceptibles al camp; i que, per contra, les plantes resistents no emmalalteixen tampoc al laboratori. De manera que es pot inferir que la malaltia de les pebroteres de la part esquerra del camp era aquest mateix bacteri, Xanthomonas campestris.

Al laboratori encara fan un altre tractament a les pebroteres amb Xanthomonas, tant a les susceptibles com a les resistents: en algunes fulles els hi injecten grans quantitats del bacteri patogen. Com a resultat, les plantes susceptibles emmalalteixen; mentre que les resistents reaccionen i, les zones que han estat en contacte amb grans quantitats del bacteri fan una mena de cicatriu, una zona seca, morta; però el bacteri no s’escampa, de manera que les plantes no emmalalteixen.

L’estudi genètic
Davant d’aquestes dues situacions, els genetistes -i en Marc n’és un- volen saber quin factor afavoreix la resistència davant del bacteri; i perquè les plantes resistents responen assecant la zona de la fulla on ha estat inoculada una gran quantitat de bacteri. Aleshores la microbiologia deixa pas a la genètica.

A partir del bacteri patogen preparen banc de mutants fet amb varietats del patogen que només tenen un gen inactivat diferent cadascuna d’elles. En Xanthomonas van obtenir entorn vint-mil mutants. I, a partir del banc, van inocular un a un els bacteris mutants a plantes susceptibles i resistents, amb l’objectiu de veure si els provocaven les mateixes reaccions vistes al camp. És una cerca de gens per a la virulència.

Després de vint anys! estudiant la reacció de les pebroteres davant de cada un dels mutants, es va trobar una trentena de gens de virulència, que, sorprenentment, estaven agrupats en el mateix fragment de genoma. I més sorprenent encara és que els gens de Xanthomonas campestris que provocaven la “taca bacteriana” als pebrots, els van trobar en microorganismes que infecten altres plantes i també animals! Com ara els bacteris que provoquen la pesta bubònica, la salmonel·losi o el tifus.

Ara bé, no cal entrar en paranoia, perquè no n’hi ha prou amb els gens de virulència: si mengéssim pebrots malalts, no ens afectaria la “taca bacteriana”. Fa milers d’anys que mengem fruites i verdures que carreguen aquests bacteris patògens i no ens han afectat. De fet, cada dia mengem molts milions de bacteris, portadors d’aquests gens de virulència, sobre els fulls dels enciams o altres hortalisses. Cap vegetal no és estèril.

La coincidència dels gens per a la virulència permet que els resultats de l’estudi del bacteri en una planta es puguin extrapolar a altres malalties en altres éssers vius; perquè, darrera dels mateixos problemes biològics, encara que sigui en espècies allunyades, hi actuen gens semblants.

Els gens per a la malaltia
En inocular només una qualsevol de les entorn a vint varietats de mutants del bacteri als quals faltava només un dels gens de virulència, la pebrotera susceptible no emmalaltia. A Xanthomonas li calia, doncs, que hi fos tot el set de gens complet per a provocar la malaltia.

A les plantes resistents que se’ls inoculaven aquests bacteris del banc de mutants, no els sortien taques a les fulles, com passava quan s’inoculava el bacteri original amb tots els gens per a la virulència.

Què fan aquest gens, doncs? Cada gen de virulència sintetitza una proteïna. I el conjunt de les proteïnes viatja fins la membrana del bacteri on fan una “xeringa molecular”. Ara s’entén perquè en trencar només un gen, el bacteri no té la capacitat d’inocular proteïnes que provocaran la malaltia en la cèl·lula vegetal, encara que sigui susceptible: no fa la “xeringa molecular”. Fa vint anys que se sap que aquest mecanisme d’inoculació de proteïnes en la cèl·lula de l’hoste el tenen tots els bacteris patògens.

Quan les proteïnes inoculades entren en les cèl·lules de les plantes susceptibles interfereixen en els processos cel·lulars de condicions normals, impedeixen que es pugui defensar i així el bacteri desenvoluparà la malaltia en la planta. Diferentment, els virus inoculen el seu material genètic en la cèl·lula hoste, s’integra en el de la cèl·lula afectada i, en ser traduït, les proteïnes víriques ja es fan dins la cèl·lula; però els bacteris són paràsits extracel·lulars, per tant, per a provocar la malaltia han de tenir una xeringa que introdueixi els enzims, proteïnes, dins la cèl·lula hoste.

Les proteïnes de resistència
En els darrers vint anys s’ha vist que les plantes resistents només tenen una diferència amb les plantes susceptibles: la proteïna de resistència; les altres proteïnes, entorn trenta-mil, són iguals. I justament, la funció de la proteïna de resistència de l’hoste és detectar que han entrat les proteïnes del bacteri patogen i unir-se a una d’elles per tal d’inutilitzar-la.

Com han aparegut les proteïnes de resistència? Les proteïnes mutants en la planta han aparegut per selecció natural, per variació de proteïnes semblants. De manera que, en el moment en què el bacteri inocula les proteïnes bacterianes, la proteïna vegetal és capaç de reconèixer-la proteïna com a intrusa i neutralitzar-la en un fenomen de clau i pany, fent-la inactiva i aturant la infecció. Ara bé, la resistència durarà fins que el bacteri faci una proteïna un xic diferent, i ja no serà reconeguda per la proteïna que fa el gen de resistència. Així, la planta esdevindrà susceptible de nou davant el nou mutant.

Amb el que sabem ara, si tornem al camp inicial, comprenem que les plantes resistents no han emmalaltit perquè tenen la proteïna que els confereix resistència davant aquest patogen en un mecanisme de clau i pany.

Però, per què la planta resistent que ha rebut una injecció del patogen en alta concentració ha assecat la zona afectada? Doncs, les cèl·lules de plantes resistents que han reconegut la proteïna bacteriana en el seu interior i l’han neutralitzada, segueixen un mecanisme que els provoca el suïcidi per tal d’evitar que avanci la infecció. Aquesta mort cel·lular programada, que garanteix la supervivència de la planta, a ull nu pren forma de taques seques. Se sacrifiquen unes cèl·lules pel bé comú que és la supervivència de la planta.

Com fer resistents les plantes susceptibles?
Ara bé, imaginem que es prefereixen els pebrots de les plantes susceptibles, pel color, olor, mesura del fruit…o les propietats que siguin, i que a més es paguen millor a mercat. Des de ben antic i empíricament els pagesos han après a creuar les plantes resistents amb les susceptibles per obtenir-ne plantes millors. Ara sabem que, segons les lleis de la genètica mendeliana, en la primera generació filial tindrem la meitat gens de la planta plantes susceptible i l’altra meitat de la resistent. Aleshores es programen creuaments dits retrògrads: es trien les plantes híbrides que han guanyat el gen de resistència i se les creua amb les plantes susceptibles amb les propietats organolèptiques desitjades. I així, després de sis o set creuaments, les plantes híbrides resistents cada cop acumularan més característiques desitjades de la varietat que abans era susceptible esdevenint resistents al patogen.

En el cas que hagin mort tots els exemplars d’una varietat susceptibles, aleshores cal anar a fer el creuament amb una espècie silvestre genèticament pròxima. Per això es creen bancs d’espècies silvestres; perquè la biodiversitat és també una font econòmica. Les empreses que produeixen llavors busquen espècies silvestres per aconseguir gens de resistència que no tenen les varietats conreades.

Cal ser conscient, però, que els gens no van sols. Acompanyant el gen de resistència hi aniran centenars de gens més. És a dir que després dels creuaments per obtenir la resistència tindrem la mateixa varietat només aproximada; perquè, en fer-se resistent, serà diferent. El tomàquet de Montserrat que comprem ara, és diferent del que compràvem fa vint anys, perquè tenen gens de resistència a les noves malalties que contínuament van apareixent associats a altres gens que no sabem què fan.

La recuperació de varietats autòctones pot donar-ne de més saboroses o amb altres propietats desitjades. Pot succeir, fins i tot, que tinguin resistència a un patogen. Però el més comú és que les varietats autòctones siguin més susceptibles. Aleshores el que cal és creuar-les amb plantes resistents per a que adquireixin els gens de resistència. Per això, per a un pagès és més sostenible buscar les llavors en empreses on treballen genetistes que han aconseguit varietats resistents. Fins ara, aquesta prevenció la fan majoritàriament les empreses de llavors privades, però els centres de recerca públics també inverteixen en trobar varietats autòctones resistents.

En altres països, on hi ha una bona quantitat de pagesos amateurs, en els sobres amb les llavors indiquen les resistències davant de les malalties. Això és perquè totes les empreses de llavors tenen genetistes que constantment fan creuaments per trobar varietats que tinguin gens de resistència.

Mai no ens ha preocupat amb quina planta havien creuat la varietat resistent. Perquè, de la selecció feta pels pagesos -tot i que en Darwin deia selecció artificial- ara en diem “natural”, encara que hagi estat dirigida i dugui gens que desconeixem. En canvi, de la introducció d’un sol gen per a la resistència se’n diu que la planta és “artificial”. Ens fa por la introducció d’un gen conegut i no la de cinquanta desconeguts. Però aquestes reserves amb el temps passaran.

I pensem també que els camps de conreu, que són monocultius, no en tenen res de “natural”, és per això que hi apareixen plagues. Per això cal inocular els gens de resistència. A més, com es conflueix a sembrar la mateixa varietat a tot el món, i com els patògens viatgen, l’efecte de les plagues s’acusa. Els fitopatòlegs diuen que la malaltia és un accident evolutiu. Ara, recordem, però, que la gran majoria dels bacteris que viuen sobre les plantes no són patògens. Ans al contrari, sovint les confereixen protecció.

Marc, per què et vas fer genetista de plantes?
Sempre he tingut passió per animals i plantes, en el jardí de casa era feliç. D’aquesta vocació em ve l’interès per la biologia. Vaig fer la carrera, i, tot i que m’encantava la botànica, em vaig enamorar de la genètica, que ens permet comprendre problemes complexos a partir dels seus elements principals. A partir de la fascinació per la genètica, jo que era molt ambientalista i em veia més en un camp, he acabat en un laboratori, però fent preguntes que em permetin d’accedir a un camp. Vaig fer la tesi amb bacteris i vaig tirar cap a les malalties de plantes.

No treballo amb Xanthomonas, l’he duta perquè és un exemple representatiu. Treballo amb un bacteri patogen del tròpic; però que amb el canvi climàtic i la globalització hi ha risc que s’acosti a la nostra latitud. I m’agrada remarcar que estudiant un bacteri s’aprenen coses d’altres. I reflexionar que la recerca no se sap mai per on sortirà; fa dos anys no haguéssim dit mai que una persona que estudiés els virus dels rats penats tingués cap futur i mireu com estem ara, aprenent-ne tots!

Més informació
Año Internacional de la Sanidad Vegetal
Què és la sanitat vegetal? CRAG (Centre de Recerca en Agrigenòmica)
International Year of Health Year (FAO)
Setmana de la Ciència al CRAG (novembre 2020)
Barcelona Capital Mundial de l’Alimentació Sostenible 2021

Imatge destacada: wikimedia commons, altres imatges mantingudes on line