Perspectiva Abordărilor Moleculare în Cercetările Fundamentale și de Management al Insectelor

Introducere

Parcurgem o etapă deosebit de prolifică în dezvoltarea cercetărilor fundamentale şi aplicative la nivel molecular. Tehnica dezvoltată în ultimele două decenii, ne dă alte dimensiuni asupra fenomenologiei care are loc la nivelul microcosmosului ultrastructurilor celulare, cromatografia, HPLC-ul şi PCR – ul, punând în evidenţă nano-molecule, enzime, metaboliţi, dar şi transcripţia la nivelul genelor, prin tehnologia microarray. Pătrunderea în dimensiunea moleculară, s-ar putea bine asemui cu descoperirea microscopului de Leeuwenhoek (1676), mijloc prin care s-a pătruns în structura celulară a organismelor.

Aceste mijloace moderne de investigare au creat o efervescenţă în lumea cercetătorilor, trecându-se de la experimentări care vizau activităţile biologice la nivel macro, la pătrunderea în intimitatea fenomenelor vitale, aşa încât planta să fie văzută ca un organism deosebit de complex, cu activităţi foarte bine coordonate de diferiţi fitohormoni. Au apărut noi ramuri ale ştiinţei care se ocupă de cercetările moleculare, cu terminaţia în „omica” cum ar fi genomica, proteonomica, metabolomica, transcriptomica, lipidonomica etc, preocupate de cercetare tuturor fenomenelor ce se petrec la nivel molecular, cu factorii coordonatori în declanşarea acestor procese biologice. De aceste realizări în dezvoltarea diferitelor ramuri ale ştiinţelor au beneficiat şi cercetările din domeniul entomologic, cu caracter fundamental şi de management al insectelor din diferite ecosisteme, în special cel agricol şi silvic.

Pentru a face faţă la stresul biotic produs de atacul unor insecte fitofage şi patogeni, s-au dezvoltat mecanisme (semnalizare moleculară, cum ar fi fitohormonii –jasmonaţi) care alertează toată planta, printr-o transmisie ionică, rapidă, am putea spune neuronală, asemănătoare sistemului nervos al organismelor animale, în vederea declanşării unor apărări defensive. Acestea pot fi constitutive sau induse, declanşate în urma interacţiuni complexe a multor fitohormoni şi a transcripţiei a numeroase gene sensibile la aceste semnale.

În cele ce urmează prezentăm cercetări realizate în ultimele decenii, care au revoluţionat cunoaşterea evoluţiei mecanismelor de apărare a plantelor împotriva speciilor erbivore, prin descoperirea rolului fitohormonilor jasmonaţi în apărarea plantelor („pregătirea plantelor”, relaţiile tritrofice plantă-erbivor-entomofag, formarea inhibitorilor proteazici etc).

Evoluţia cercetărilor privind jasmonaţii

În 1962, a fost izolat esterul metilic al acidului jasmonic (MeJA) din uleiurile volatile din Jasminum grandiflorum L. (Demole et al., 1962), apoi din Rosmarinus officinalis L. A existat o perioadă lungă de timp până s-a stabilit că acidul jasmonic şi jasmonatul de metil sunt omniprezenţi, că sunt regulatori ai dezvoltării plantelor superioare, reacţionând la stimulii externi prin expresia genelor.

O etapă benefică în caracterizarea rolului jasmonaţilor a fost folosirea mutantelor de Arabidopsis thaliana („Drosophilla” regnului vegetal), ulterior de tomate şi tutun, pentru studiul fazelor de biosinteză a acidului jasmonic, de transducţie a semnalelor de rănire, a căilor de semnalizare etc. prin utilizarea mutantele în superexpresie sau silenţiere a unor seturi de gene dependente de JA.

Vick şi Zimmerman (1984) stabilesc că enzimele care converg 12-OPDA în acid jasmonic sunt prezente în multe plante indicând ca aceasta poate fi o cale metabolică generală în plante. Jasmonaţii sunt oxilipine, molecule semnalizatoare derivate din acizi graşi polinesaturaţi oxigenaţi şi sunt larg răspândiţi în organismele vii. În 1990, Farmer şi Ryan, constată că în urma activităţii metil-jasmonatului, în plantele de tomate, are loc acumularea de inhibitori proteazici (PIN2), care perturbă digestia în stomacul insectelor.

În lumea animală, eicosanoidele sunt similare jasmonaţilor şi funcţionează ca molecule semnalizatoare la vertebrate, nevertebrate şi microbi eucariotici.

În ultimii 20 de ani, acidul jasmonic (JA) şi metaboliţii săi, cum ar fi esterul său metilic (MeJA) şi acizii conjugaţi ai acidului jasmonic, au fost cuprinşi sub termenul de jasmonaţi, recunoscuţi ca primele semnale ale rănirii şi apărării împotriva factorilor biotici.

În urma atacurilor se produc răspunsuri de apărare – inducerea rezistenţei prin: sinteza de proteine, cum ar fi PIN, care sunt dăunătoare pentru hrănirea insectelor; sinteza de fitoalexine, cum ar fi nicotina sau alţi alcaloizi; sinteza şi lansarea de compuşi volatili (VOCs) care atrag parazitoizii şi prădătorii (relaţii tritrofice plantă-fitofag-entomofag); formarea şi lansarea de volatile verzi ale frunzei (GLVs); formarea de nectar extrafloral (EFN); strategii mecanice de creştere a pereţilor celulari (Wasternack, 2006). De asemenea, prin lansarea de volatile are loc şi pregătirea sau starea pregătită a organelor neatacate sau a plantelor învecinate.

În răspunsurile de apărare, căile constitutive ale acidului jasmonic constituie un mecanism conservat pentru promovarea răspunsurilor de apărare la multe artropode fitofage (Howe şi Jander, 2008). Deşi etilena, acidul salicilic şi alţi fitohormoni au un rol important în interacţiunea plantă-insectă, contribuţia acestor semnale în apariţia rezistenţei apare să fie minoră în comparaţie cu a acidului jasmonic (Koornneef şi Pieterse, 2008; Zheng şi Dicke, 2008). Multe experimentări scot în evidenţă că jasmonaţii (JAs) sunt semnalele principale pentru reglarea rezistenţei la insectele fitofage. După Browse şi Howe (2008), jasmonaţii (JAs) constituie arme noi şi răspunsuri rapide împotriva atacului produs de insecte.

Rolul jasmonaţilor în recunoaşterea fitofagilor cu tipare asociate molecular

De-a lungul unor perioade lungi de coexistenţă, de aproximativ 350 milioane de ani, plantele şi insectele au dezvoltat o varietate de interacţiuni (Mithöfer şi Boland, 2008). Pentru o combatere cu succes a agresorilor, plantele s-au echipat cu un sistem sofisticat senzorial pentru perceperea rapidă şi eficientă a semnalelor din mediu şi pentru detectarea potenţialilor inamici, prin traducerea şi integrarea fiecărui semnal în răspunsuri biochimice şi fiziologice. Astfel, sub atac sunt detectate o serie de reacţii în celulele plantei, incluzând schimburi ionice, fosforilarea proteinelor, apariţia unor forme de oxigen reactiv şi oxilipină, de asemenea, iniţierea unor variate reacţii de apărare (Maffei et al., 2007). Se pun întrebările, cum pot plantele să recunoască particularităţile inamicilor, ce fel de semnale percep şi cum activează mai departe sistemului de apărare.