• Els investigadors del CRAG han desenvolupat una estratègia per produir proteïnes antifúngiques de manera eficient i a gran escala en plantes.
• La clau d’aquest avenç rau en dirigir la producció d’aquestes proteïnes cap al vacúol, un compartiment cel·lular que s’ha demostrat ideal per a la seva acumulació.
• Aquestes proteïnes antifúngiques produïdes en plantes ofereixen un gran potencial com a biofungicides segurs i respectuosos amb el medi ambient per protegir cultius i collites.

Un nou estudi fruit de la col·laboració entre investigadors del CRAG i l'Institut d'Agroquímica i Tecnologia dels Aliments (IATA-CSIC), ha revelat una estratègia altament eficaç per a la producció de proteïnes antifúngiques (AFPs) en plantes. Publicat a la revista Plant Biotechnology Journal, aquest treball obre noves vies per al desenvolupament de biofungicides més sostenibles i segurs per a l'agricultura.

Una estratègia innovadora per a alts rendiments

Les AFPs, com PeAfpA de Penicillium expansum i PdAfpB de Penicillium digitatum, són molècules de gran interès biotecnològic per la seva potent activitat contra una àmplia gamma de fongs patògens. Són petites i notablement estables, cosa que les fa resistents a la calor, les proteases i condicions extremes de pH. A més, no presenten toxicitat per a les cèl·lules vegetals ni de mamífers.

Tradicionalment, la producció de proteïnes en plantes ha explorat diverses estratègies de compartimentació, incloent-hi la secreció a l’apoplast (l’espai exterior de la cèl·lula). No obstant això, aquesta recerca ha demostrat que una alternativa per aconseguir rendiments extraordinàriament alts d’aquestes AFPs rau en dirigir-les a aquest orgànul especialitzat de les cèl·lules vegetals: el vacúol.

“La principal novetat rau en l’ús del gran compartiment vacuolar, habitualment considerat inadequat per a l’emmagatzematge de proteïnes a causa del seu entorn lític, on les proteïnes són propenses a la degradació”, explica Juan José López-Moya, coautor de l’estudi. No obstant això, la resistència inherent de les AFPs a aquest entorn proteolític les converteix en candidates ideals per a aquesta estratègia innovadora. En incorporar una seqüència de senyalització vacuolar a més d’una d’apoplàstica als vectors d’expressió, els investigadors van aconseguir un increment notable en l’acumulació de proteïnes. En concret, la producció de PeAfpA es va multiplicar per més de 9 vegades, i la de PdAfpB per 3,5 vegades, en comparació amb les construccions dirigides únicament a l’apoplast.

La localització subcel·lular de les proteïnes es va confirmar mitjançant microscòpia electrònica de transmissió, mostrant que les AFPs s’emmagatzemaven majoritàriament al vacúol. És important destacar que la funcionalitat de les proteïnes no es va veure afectada pel canvi en la senyalització, i la seva localització vacuolar no requereix passos de purificació diferents.

Aplicacions pràctiques i perspectives de futur

Els extractes de plantes enriquits amb aquestes AFPs, sense la necessitat d’una purificació complexa addicional, van demostrar una activitat antifúngica equiparable a la de les proteïnes purificades d’origen fúngic, tant en assaigs in vitro com in vivo.

Els assaigs de protecció vegetal van ser molt prometedors: (i) Es va observar una protecció efectiva en plantes i fruits de tomàquet contra Botrytis cinerea, el fong causant de la podridura grisa, que provoca pèrdues econòmiques significatives a nivell mundial. (ii) Les AFPs van protegir les llavors d’arròs d’infeccions per Fusarium proliferatum, un fong associat a la malaltia del Bakanae i a la contaminació per micotoxines. (iii) Així mateix, es va demostrar la seva eficàcia en fulles d’arròs contra Magnaporthe oryzae, l’agent causal de la malaltia del tizó de l’arròs, una de les més greus per a aquest cultiu.

Aquests resultats suggereixen que les AFPs poden ser àmpliament utilitzades com a fungicides naturals en la protecció de cultius, incloent-hi aplicacions pre-collita i post-collita. El sistema d’expressió transitòria en plantes és ràpid, econòmic i escalable, cosa que el converteix en una plataforma atractiva per a la producció d’aquests “biofungicides verds”. Tot i que caldran més estudis de camp i avaluacions de l’impacte ecològic, aquest avenç representa un pas crucial cap a una agricultura més sostenible.

*Tots els coautors del CRAG i l’IATA dediquen aquesta publicació final a la memòria de la nostra estimada investigadora Maria Coca, que va morir al 2021, en honor al seu paper en el disseny del projecte, la supervisió dels experiments i la redacció de la versió inicial.

Article de referència

Bugeda A, Shi X, Castillo L, Marcos JF, Manzanares P, López-Moya JJ, Coca M. High yield production of the antifungal proteins PeAfpA and PdAfpB by vacuole targeting in a TMV-based expression vector. Plant Biotechnol Journal. 2025 May 3. https://doi.org/10.1111/pbi.70093

Sobre els autors i el finançament de l'estudi

La investigació va ser finançada per múltiples subvencions del MICIU/AEI/10.13039/501100011033 (RTI2018-101115B-C22 a MC, RTI2018-101115B-C21 i PID2021-125858OB-100 a JFM i PM), i a través del Programa d'Excel·lència Severo Ochoa (CEX2019-000902-S a CRAG i CEX2021-001189-S a IATA). Fons addicionals van ser proporcionats pel Programa CERCA de la Generalitat de Catalunya.