Durante el salón SIVAL 2024 en Angers, Francia, se realizó el Forum Biocontrol, con destacadas presentaciones. Una de ellas estuvo a cargo de la Dra. Emmanuelle Jacquin-Joly, quien dictó la charla “Mediadores químicos y biocontrol”.
Mediador químico, señaló, es un término sinónimo de semioquímicos: se trata de moléculas involucradas en las interacciones químicas entre organismos o entre organismos y su entorno fisicoquímico tanto en medios terrestres como acuáticos.
Los lenguajes químicos son las formas más antiguas de comunicación en el planeta Tierra. Este idioma universal se encuentra desde las bacterias hasta los mamíferos, pasando por los medios terrestres y marinos, e incluyendo por cierto a los insectos. Un par de ejemplos son: el mecanismo que utilizan los salmones para remontar los ríos hasta su lugar de reproducción; los caballos levantan sus labios con el fin de abrir el acceso a un pequeño órgano que detecta las feromonas enviadas como señal sexual para el apareamiento.
El estudio de este lenguaje dio origen a una disciplina científica que se denomina “ecología química”, y el laboratorio de la Dra. Jaqcuin-Joly la aplica a los insectos, en particular de las plagas en un contexto de protección de cultivos.
LOS SORPRENDENTES FUNCIONES DE FEROMONAS Y ALELOQUÍMICOS
¿Cuál es la razón de interesarse en los mediadores químicos en los insectos? Porque son extremadamente influyentes en su comportamiento. Los utilizan para buscar la planta adecuada como alimento, para encontrar a su pareja sexual, y luego para encontrar un huésped adecuado donde depositar sus huevos.
Las mariposas nocturnas aportan ejemplos ilustrativos de este tipo de comunicación química, y Jacquin-Joly toma el caso de la mariposa del gusano de seda. La hembra genera una protuberancia, una glándula especializada en la biosíntesis de olores específicos de la especie, transportados por el aire. El macho percibe el estímulo a distancia, detectando a la hembra para acoplarse, y comienza a agitar las alas, un comportamiento de atracción.
Los insectos han desarrollado órganos funcionales para la comunicación por mediadores químicos, como son las antenas, implicadas en el olfato, pero también hay muchos otros involucrados en la percepción de los semioquímicos, como la trompa, el palpo mandibular, las patas y órganos de oviposición que les permiten elegir el lugar ideal para ubicar a su progenie.
Mientras las hormonas actúan internamente en un organismo, los semioquímicos lo hacen a nivel externo. Estos últimos se dividen en dos grandes categorías: las feromonas y los aleloquímicos. Las feromonas son intraespecíficas, vale decir que las señales son útiles para la comunicación entre individuos de una misma especie, mientras que los aleloquímicos son señales de comunicación entre especies distintas.
Las feromonas pueden dividirse en dos clases. Las primeras son las feromonas modificadoras, que provocan un cambio en la fisiología de los individuos receptores. Por ejemplo, la abeja reina emite una feromona inhibidora del desarrollo del ovario en las obreras, volviéndolas estériles. El segundo tipo corresponde a las feromonas activadoras de comportamientos con distintos objetivos, tales como dar la alarma, dejar rastros, marcar, agruparse, y atraer sexualmente.
En cuanto a los aleloquímicos, pueden agruparse en tres categorías: kairomonas, alomonas y sinomonas.
Las kairomonas aportan una desventaja para el emisor y una ventaja para el receptor; típicamente es el caso de los insectos herbívoros, que reconocen el mediador químico de las plantas que les sirven de alimento y acuden a alimentarse de ellas.
Las alomonas dan una ventaja al emisor y una desventaja al receptor, como la planta atrapamoscas, Helicodiceros muscivorus. Ella emite un olor irresistible para los moscardones, los cuales quedan atrapados en su interior.
Las sinomonas acarrean un beneficio para el emisor y el receptor. Es lo que ocurre con el insecto que toma el néctar de la flor en tanto esta resulta polinizada.
ESTRATEGIAS: ATRAER, REPELER, MATAR, RECOMPENSAR
Los distintos tipos de mediadores químicos son utilizados desde hace décadas en estrategias de biocontrol contra insectos plagas. Por ejemplo, el uso de feromonas para el monitoreo de las poblaciones posibilita saber cuándo una especie se encuentra presente en el campo y en qué cantidad. Conociendo su nivel poblacional se puede decidir si no reviste peligro o si se requiere aplicar un tratamiento. Existen distintos modelos de trampas, más o menos sofisticadas, compuestas esencialmente de un sistema de emisión de la feromona y un mecanismo que captura a los ejemplares atraídos por ella.
Asimismo se emplean feromonas para la captura masiva, cambiando la escala, con el fin de atrapar a la mayoría de la población.
Otra forma corresponde a la confusión sexual, consiste en emitir feromonas de la hembra en el huerto en tal cantidad que un número importante de machos se confunde, resulta incapaz de encontrar a su pareja, y así se limita la reproducción.
Existe además el método push-pull: empujar y tirar. La Dra. Jacquin-Joly mostró imágenes de un campo de maíz donde se insertan, entre las hileras, plantas repulsivas para una polilla, en tanto alrededor se ubican plantas atractivas para el mismo insecto. Por un lado se lo repele del interior mientras por el otro se lo atrae al exterior del cultivo. Aquí se introduce el concepto de “planta de servicio” o “cultivo auxiliar”.
Una técnica derivada es el attract, repel and kill, (atraer, repeler y matar), basado en compuestos sintéticos, con un repulsivo ubicado en las plantas, y un atractivo un poco más alejado, por ejemplo más arriba del cultivo, acompañado de un mecanismo como una placa engomada que captura y mata a los insectos.
Figura 1. Dos estrategias posibles: (a) atraer, repeler y matar; (b) atraer y recompensar. Fuente: figura (a): HAN, Shan-jie; WANG, Meng-xin; WANG, Yan-su; WANG, Yun-gang; CUI, Lin; HAN, Bao-yu. 2020. Exploiting push-pull strategy to combat the tea green leafhopper based on volatiles of Lavandula angustifolia and Flemingia macrophylla. Journal of Integrative Agriculture 2020. Clic aquí.
La investigadora citó también la técnica attract and reward, atraer y recompensar, interesante para los enemigos naturales, en especial los parasitoides. Cuanto un cultivo se ve atacado, se trata de atraer a los enemigos naturales con los olores que les gustan para que vengan a ayudar en la lucha contra las plagas, y adicionalmente entregarles una recompensa. La idea es que no solamente encuentren a su presa, sino además un elemento nutritivo como néctar, por ejemplo, para fidelizarlos y mantenerlos en el cultivo por un plazo más largo.
LA INVESTIGACIÓN “ES UN POCO DE PERFUMERÍA”
Algunas cifras ilustran el alcance de las tecnologías asociadas a feromonas luego de más de 50 años de investigación:
- En el mundo se emplea confusión sexual en unas 800.000 hectáreas (ha).
- Hay más de 1.600 feromonas identificadas.
- El monitoreo y trampeo masivo abarcan alrededor de 10 millones de ha a nivel mundial.
Figura 2. Superficie bajo confusión sexual contra polilla de la manzana (Cydia pomonella) en el mundo.
Como se aprecia, se trata de sistemas bastante utilizados, pero aún limitados debido a que el procedimiento de identificar un mediador químico que logre una acción eficaz toma un largo tiempo. El proceso comienza por identificar las señales de la especie objetivo, por ejemplo extrayendo las glándulas y aplicando solventes para recolectar las señales mediadas por feromonas, o en plantas mediante fibras absorbentes o cartuchos en los que se recogen sus efluvios. “Es un poco de perfumería”, comenta Jacquin-Joly.
Métodos de recolección de señales: fibra absorbente.
Métodos de recolección de señales: cartucho.
Una vez colectados esos compuestos, se debe identificar sus contenidos. Ahí se movilizan enfoques fisicoquímicos, mediante cromatografía de gases acoplada a espectrometría de masas.
Métodos de recolección de señales: extracción de glándula de feromonas.
LLEGA EL MOMENTO DE PREGUNTARLE AL INSECTO
Lamentablemente no basta con esa identificación. Una planta puede emitir más de un centenar de compuestos y no sabemos cuál de ellos es el que buscamos, el que tendrá una actividad sobre el insecto. “Entonces llega el momento de preguntarle directamente al insecto: ¿eres capaz de sentir este olor?”.
Y la forma de hacerlo es utilizando técnicas de electrofisiología. Por ejemplo, se instalan electrodos en las antenas, se envían los olores uno a uno y se observa si hay una respuesta eléctrica. Si la hay, el insecto es capaz de sentir una señal particular. Pero surge una gran pregunta: ¿lo atrae o le desagrada?
El paso siguiente, entonces, es estudiar su comportamiento. Para ello se dispone de distintas metodologías. En el caso de los insectos que vuelan, típicamente se usa un túnel de vuelo, donde se emite el olor de un lado del túnel y se observa si el ejemplar trata de acercarse o alejarse. Pueden usarse también distintos tipos de olfatómetros, del más simple al más complicado.
Métodos para determinar el comportamiento de un insecto frente a semioquímicos: túnel de vuelo.
Métodos para determinar el comportamiento de un insecto frente a semioquímicos: olfatómetro.
Asimismo hay métodos un poco más originales, como la esfera de locomoción, usada en nuestro laboratorio con el picudo rojo (un gorgojo de gran tamaño, plaga de las palmeras). El picudo es libre de caminar libremente moviendo la bola en la dirección a la que se dirige, como el malabarista de un circo. Cuando percibe un olor se dirige hacia él si es atractivo o intenta escapar en dirección contraria si le produce rechazo.
Métodos para determinar el comportamiento de un insecto frente a semioquímicos: esfera de locomoción.
Como se aprecia, para estudiar los mediadores químicos se requiere un enfoque multidisciplinario, donde intervienen la fisicoquímica, la neurobiología, la fisiología y la etología (estudio del comportamiento). Se trata en efecto de un largo proceso, el cual no obstante da pistas importantes para diversificar los mecanismos de biocontrol.
Figura 3. Electroantenografía: medida de depolarización de la antena ante una estimulación olfativa.
Hasta ahora la mayoría de los esfuerzos se ha enfocado en las feromonas, pero hoy un número importante de investigaciones se orientan a la utilización de kairomonas, las que, como se mencionó, dan la ventaja al receptor y tienen, por tanto, el potencial de atraer a una plaga. Si bien hay algunos ejemplos en desarrollo, hay que entender que las kairomonas son mucho más complicadas de identificar y de descifrar la señal crítica, en comparación a las feromonas. Ya se indicó que mientras estas últimas pueden contener unos dos, tres o cuatro compuestos distintos, las plantas pueden emitir más de cien.
Otro enfoque prometedor corresponde a la relación entre plantas, insectos y microorganismos. “Estamos entendiendo que existe toda una red, un ecosistema que no debemos olvidar, y finalmente en algunas especies incluso no es la planta la que va a atraer a las plagas, sino los microorganismos que se encuentran en su superficie”.
Un tercer punto a considerar se refiere a la comunicación entre plantas. Por ejemplo, cuando una planta es atacada por un herbívoro emite compuestos orgánicos volátiles capaces de atraer, por ejemplo, a parasitoides que acudirán a poner sus huevos en las larvas de la plaga. Se trata, en definitiva de relaciones que no se remiten a dos, sino a niveles “multitróficos”.
“Un tema que yo encuentro fascinante –formula la investigadora– es la comunicación olfativa entre plantas o entre plantas e insectos. Se ha demostrado que la vara de oro es capaz de reconocer el olor de la mosca de la agalla (Eurosta solidaginis), uno de sus enemigos. Cuando se le ha puesto el olor a la planta –solo el olor, sin el insecto–, esa planta induce mecanismos de defensa. Aunque las plantas no tienen órganos olfativos, pueden percibir las señales e incluso comunicarse entre ellas y avisar del peligro a sus vecinas. Ahí, pienso, hay muchas cosas por desarrollar”.
PARTIR DESDE EL ÓRGANO OLFATIVO: ECOLOGÍA QUÍMICA INVERSA
Un cuarto punto extraordinariamente prometedor, indica Emmanuelle Jacquin-Joly, sobre el cual trabaja con el equipo de su laboratorio, es lo que se denomina como ecología química inversa.
Hasta aquí se ha presentado la ecología química directa: comienza por la identificación de las sustancias volátiles para ver cómo actúan sobre el comportamiento de los insectos. La ecología química inversa, al revés, empieza viendo la activación de ciertos receptores por los semioquímicos. Apunta entonces a esos receptores como un atajo para descubrir nuevas moléculas que actúan sobre ese comportamiento. En términos simples, parte del estudio de los mecanismos del olfato con el objetivo de descubrir nuevos mediadores químicos.
Como se vio, la antena es el principal órgano olfativo del insecto. Al mirar la antena a través de un microscopio electrónico se aprecian estructuras donde se localizan las neuronas olfativas por las cuales pasa la detección, la sensorialidad. Proteínas en las membranas de esas neuronas operan como receptores olfativos y al detectarse el olor se genera una señal eléctrica.
Neurona olfativa (en rojo) y receptores olfativos (proteínas) situadas en su membrana.
Foto: @inrae; Ssquema: courtesy of R. A. Steinbrecht.
Los receptores de los insectos son un objetivo extremadamente interesante, pues su origen evolutivo es por completo diferente al de los vertebrados. Y si bien no sabemos de dónde vienen, tienen la misma función: detectar los olores. De hecho, la diferencia hace que, a priori, apuntar a un receptor olfativo de los insectos no tenga ningún impacto sobre los vertebrados, en particular los mamíferos. Asimismo los receptores son muy distintos entre especies de insectos, ya que han evolucionado en relación a la ecología propia de cada una. De ahí resulta una gran divergencia (secuencia de aminoácidos de los órganos receptores muy distintos entre especies). Por ejemplo, los órganos receptores de las polillas no tienen nada en común con los órganos receptores de las abejas, lo que lleva a suponer que apuntar a una polilla no tendrá efectos colaterales sobre una abeja. En promedio se observa un 20 a 40% de identidad de secuencia entre los órganos receptores de los insectos.
PASOS A SEGUIR: MODELIZACIÓN, INTELIGENCIA ARTIFICIAL, BIOSENSORES
El conocimiento de las características de un receptor, su ligando, la cavidad, el sitio de su acoplamiento, va a permitir diseñar análogos, moléculas que interfieran con el sitio de reconocimiento para desarrollar perturbadores de quimioseñales, los cuales podrían llamarse “bio olfaticidas”. Estos pueden ser súper atrayentes, más atrayentes que moléculas presentes en la naturaleza; o repulsivos; o bloqueadores olfativos. Si se bloquea el olfato de un olor, el comportamiento asociado deja de producirse. Y, por supuesto, en estos ligandos se buscarán moléculas que sean más eficientes que las moléculas existentes, o menos caras, y más seguras.
Los receptores olfativos podrían posibilitar el desarrollo de una nueva generación de biosensores, “narices artificiales” capaces de detectar de manera anticipada la presencia de una plaga en el cultivo. En el marco de un proyecto de control del picudo rojo se desarrolló un pequeño receptor olfativo basado en proteínas de insectos que debería captar la presencia de ese curculiónido mediante la detección de sus feromonas. No hay nada más específico ni más sensible que el receptor natural del propio insecto para lograr detectarlo.
Modelización de la estructura con inteligencia artificial del receptor olfativo y su ligando, correspondiente al picudo rojo.
Foto: C. Meslin@inrae.
La perturbación de los sentidos químicos es una palanca para reducir la aplicación de fitosanitarios. La ecología química inversa ofrece la promesa de acelerar el descubrimiento de nuevas señales químicas, partiendo de la modelización, la inteligencia artificial, lo in vitro, la banda ancha, prescindiendo del insecto al menos en las primeras etapas en las que se trabajará con técnicas ómicas, sobre genomas, sobre secuencias.
Desde el punto de vista científico, hay importantes aspectos neurobiológicos por descubrir, como entender el funcionamiento de la codificación olfativa, cuáles son las relaciones entre la estructura y la función de los receptores y de sus ligandos, y comprender cómo es que las especies han desarrollado repertorios de receptores olfativos adaptados a su ecología, para prevenir resistencias potenciales.
“Me he referido mucho al olfato, pero no debemos olvidar el sentido del gusto, fundamental para decidirse finalmente a comer. Y los insectos poseen una amplia paleta de receptores gustativos”, plantea Jacquin-Joly también como campo de investigación.
