La importancia de la alelopatía en la obtención de nuevos cultivares

INTRODUCCIÓN

La alelopatía es definida como la influencia directa de un compuesto químico liberado por una planta sobre el desarrollo y crecimiento de otra planta. Es un hecho conocido que sustancias alelopáticas son inducidas por estreses ambientales tal como se indica en la Figura 1. Los compuestos alelopáticos pueden ser liberados de las plantas al ambiente por medio de la exudación de las raíces, lixiviación, volatilización y descomposición de los residuos de las plantas en el suelo (Figura 1).

Las sustancias alelopáticas, si están presentes en las variedades de los especies cultivadas, pueden reducir la necesidad del manejo de malezas, especialmente el uso de herbicidas. La alelopatía por si sola puede no ser una perfecta tecnología de manejo de malezas pero puede ser una herramienta suplementaria para el control de malezas. Es extremadamente difícil demostrar la influencia de la alelopatía en la naturaleza dada la complejidad de la interferencia de las plantas que incluye efectos positivos, negativos y neutros entre las mismas (Christensen, 1993). La interferencia es una combinación de los procesos de competencia por los recursos y la producción de compuestos alelopáticos que suprime los competidores (Duke et al., 2001). Por ello, la alelopatía difiere de la competencia por recursos. La investigación sobre la alelopatía ha sido llevada a cabo durante varias décadas pero los conocimientos son aún limitados.

El mejoramiento de cultivares de las plantas cultivadas es la única área que no ha sido suficientemente explotada como una estrategia de manejo de las malezas (Khush, 1996). La posibilidad de incorporar características alelopáticas en cultivares mejorados de arroz que podrían reducir la necesidad de aplicar herbicidas al cultivo debería ser cuidadosamente considerada (Khush, 1996). Por supuesto, hasta el momento no se han obtenido cultivares comerciales con propiedades alelopáticas (Duke et al., 2001).

Recientemente ha recibido gran atención el potencial alelopático del arroz desde que Dilday et al. (1991) identificaron cultivares de arroz con potencial alelopático contra Heteranthera limosa (Sw.) Willd. Además, también se ha informado del potencial alelopático de numerosos cultivos como la cebada (Lovett y Hoult, 1995); pepino (Putman y Duke, 1974); avena (Fay y Duke, 1977); arroz (Dilday et al., 1998); sorgo (Nimbal et al., 1996); girasol (Leather, 1983); tabaco (Patrick et al., 1963) y trigo (Wu et al., 1999).

Si bien el enfoque del fitomejoramiento por si solo no puede solucionar los problemas causados por las malezas, un incremento en el potencial alelopático de las variedades de arroz tendrá probablemente un gran impacto sobre los sistemas de producción tanto aquellos de bajos como los de altos insumos. Más aún, la tecnología basada en la alelopatía es más fácilmente transferible a los agricultores en los sistemas de producción de bajos insumos que en los sistemas de altos insumos que incluyen un consistente uso de herbicidas. Existen tres excelentes revisiones sobre el tema: uno de ellas es sobre estrategias para fortalecer el control de malezas por medio de la producción de compuestos aleloquímicos (Duke et al., 2001); las otras dos revisiones son de Olofsdotter (2001a,b) sobre la alelopatía en arroz.

Este capítulo discutirá brevemente la importancia de la obtención de variedades alelopáticas con énfasis en las características alelopáticas, los métodos para medir la diferencia genética, los compuestos alelopáticos identificados y un método introductorio sobre como mejorar especies alelopáticas. El arroz fue usado como planta modelo pero al parecer los principios descritos son aplicables a cualquier otro cultivo.

Figura 1. Inducción de compuestos aleloquímicos por estreses ambientales

IMPORTANCIA DE LA ALELOPATÍA EN LA OBTENCIÓN DE NUEVAS VARIEDADES

Las recientes investigaciones sobre la alelopatía del arroz han avanzado la posibilidad de obtener cultivos alelopáticos de arroz por las siguientes razones:

existe variación en la alelopatía de los cultivares de arroz;
la alelopatía tiene una función importante bajo las condiciones de campo;
la alelopatía en el arroz es efectiva sobre monocotiledóneas y dicotiledóneas;
la identificación de los compuestos aleloquímicos del arroz ha hecho importantes progresos;
han sido determinados los loci con características cuantitivas (QTL) correlacionados con la alelopatía (Olofsdotter, 200b).

Varios cultivares o muestras de arroz con potencial alelopático han sido determinados en diferentes lugares (Dilday et al., 1991; Fujii, 1992; Kim y Shin, 1998; Olofsdotter et al., 1999). Sin embargo, no se obtenido hasta el momento ningún cultivar alelopático de arroz. Al respecto, el problema es como utilizar el potencial alelopático en los programas de fitomejoramiento. Dos efectos muy importantes pueden ser esperados del mejoramiento de cultivos alelopáticos, a saber:

Importancia ecológica

En todos los ecosistemas de arroz los herbicidas se han convertido en uno de los más importantes componentes de control de malezas. Existen dos razones para explicar el creciente uso de herbicidas, el primero de ellos es la adopción generalizada de variedades de alto rendimiento que ha creado incentivos económicos para que los agricultores reduzcan la infestación de las malezas; en segundo lugar se encuentra la disponibilidad de herbicidas a bajo costo con la consecuencia de que el costo del control de malezas por medio de los herbicidas en los arroces sembrados en húmedo es menos de una quinta parte del costo de una sola remoción manual de las malezas como ocurre en Iloilo, Filipinas (Moody, 1991). Situaciones similares existen en West Java, Indonesia, y el delta del Mekong, en Viet Nam (Pandy y Pingati, 1996).

A causa de la disponiblidad de herbicidas a bajo costo se espera que su uso continúe aumentando en los países desarrollados y también en los países en desarrollo, donde son escasamente usados y los salarios del sector rural son relativamente bajos. Sin embargo, esto no indica una falta de importancia de la remoción manual de las malezas. Esta operación es aún el método dominante de control de malezas en muchas partes de Asia ya que las opciones para su manejo están limitadas por las distintas condiciones agroecológicas (Kim, 2000).

Todos los herbicidas recomendados son seguros no solo para el hombre sino también para el ganado y para el ambiente si son utilizados en forma correcta. Los herbicidas del tipo de la sulfonilurea han sido ampliamente usados en Asia Oriental desde 1990 a causa de su alta eficacia contra un amplio espectro de malezas del arroz, incluso a muy bajas dosis. Sin embargo, la aplicación intensiva y repetida de este tipo de herbicidas ha dado lugar a varios efectos negativos como los siguientes:

evolución de malezas resistentes (Valverde et al., 2000);
efectos residuales sobre los cultivos sucesivos;
desaparición de algunas malezas susceptibles como Brasenia schreberi y Sagittaria aginashi, lo que afecta la biodiversidad de las malezas (Itoh, 2000).

Otro elemento importante es que la producción de arroz en Asia está ligada a la piscicultura y al agua de riego usada para otros propósitos. Para eliminar la contaminación de molinate y thiobencarp del agua potable se gastaron más de $EE.UU. 600 000 en asistencia compartida de costos a fin de implementar sistemas de recuperación de aguas en la producción de arroz de California, Estados Unidos de América (Hill et al., 1977). Esto fue un duro golpe para los productores de arroz y también para los consumidores, lo que sugirió la necesidad urgente de supervisar el movimiento de los herbicidas y la contaminación en los arrozales, corrientes de agua, todos los sistemas acuáticos y aún los organismos no objetivo de los herbicidas.

Todos estos factores pueden muy bien ofrecer suficientes razones para atraer la atención pública respecto a los efectos negativos de los herbicidas que podrían originarse de la aplicación intensiva de los mismos y su entrada al ambiente. Al respecto, es imprescindible encontrar una alternativa para esa seria dependencia. Tal alternativa podría ser encontrada en el uso de la alelopatía la cual puede reducir el uso de herbicidas en los sistemas de cultivo basados en el arroz.

Importancia económica

El uso de cultivos alelopáticos puede reducir definitivamente el costo del control de malezas. Esta tecnología, que se basa en la tecnología de semillas es más fácilmente transferible a los sistemas de manejo con bajos insumos que prevalecen en la mayoría de los sistemas productores de arroz de Asia.

Para implementar esta tecnología, los problemas que se anticipan, tales como autotoxicidad, efectos residuales de los cultivares alelopáticos y tolerancia hacia la población de malezas por el uso reiterado de variedades alelopáticas en el mismo campo, deberían ser cuidadosamente estudiados antes de entregar a los agricultores dichas variedades alelopáticas. El establecimiento de un sistema apropiado de manejo de malezas podría seguramente superar esos efectos negativos.

CARACTERES ALELOPÁTICOS

¿Qué son los caracteres alelopáticos? Son características morfológicas tales como rápida emergencia y vigor de las plántulas, rápida tasa de crecimiento que produce un denso dosel foliar, mayor altura de las plantas, mayor volumen de raíces y mayor duración del crecimiento, que aumentan la capacidad de los cultivares de arroz para competir con las malezas (Minotti y Sweet, 1981; Bekowitz, 1988). La altura de las plantas es a menudo descrita como uno de los factores más importantes en el total de la habilidad competitiva de un cultivo y cuenta por un porcentaje similar de la habilidad competitiva total (Gaudet y Keddy, 1988; Garrity et al., 1992). Sin embargo, no está claro si todas esas características están también relacionadas con la alelopatía.

¿Cómo es posible medir los efectos alelopáticos? Si no hay una característica específica, las características más visibles de la planta como la altura, la longitud de las raíces y el peso seco de las plantas testigo pueden ser usadas como parámetros medibles para evaluar el potencial alelopático. Para obtener nuevas variedades alelopáticas el primer requerimiento es identificar muestras o cultivares alelopáticos. Para identificar cultivares alelopáticos, debe ser establecido un método efectivo de selección que pueda probar grandes cantidades de materiales en un espacio limitado en forma simple, económica, repetible y rápida.

Métodos de selección

Para seleccionar arroz con potencial alelopático se han sugerido varios métodos tales como: método «stairstep» (Bonner, 1950; Liu y Lovett, 1993); prueba de cultura hidropónica (Einhelig, 1985); técnica de relevo de semillas (Navarez y Olofsdotter, 1996); prueba del medio de agar-agar (Fujii, 1992; Wu et al., 1999); análisis de conglomerados usando HPLC -cromatografía líquida de alta presión (Mattice et al., 2001); método de extracto de agua (Kim et al., 1999; Ebana et al., 2001) y bioensayo de lámina de 24 huecos (Rimando et al., 1998). Cada uno de los métodos antes citados puede ser una útil herramienta para evaluar el potencial alelopático. Sin embargo, se debe tener en cuenta que las muestras o cultivares analizados por un cierto método pueden no siempre ser activos en el análisis de otro método. En términos de selección, el método de prueba directamente en el campo podría ser el mejor método para evaluar el potencial alelopático pero presenta dificultades cuando hay que trabajar con un gran número de materiales. Por lo tanto, es necesario identificar un bioensayo confiable y universal que genere una tendencia similar bajo diferentes condiciones. Para ello, es necesario un continuo desarrollo de sistemas de selección.

VARIABILIDAD GENÉTICA

Diferente potencial alelopático

Dilday et al., (1998) identificaron 412 muestras entre 12 000 muestras originadas en 31 países con potencial alelopático contra Heteranthera limosa (sw.) Willd. Estas muestras eran genéticamente diversas indicando que el potencial alelopático está ampliamente presente en el germoplasma de arroz. Se han llevado a cabo un cierto número de estudios para evaluar el potencial alelopático del germoplasma de arroz y se ha informado que existe una gran variación del germopasma del potencial alelopático de diferentes cultivares. Más aún, se asume que este potencial alelopático podría ser controlado por poligenes ya que muestra una variación continua en el germoplasma. Además, el potencial alelopático a menudo es atribuido a varios inhibidores que se asume que actúan en forma aditiva o sinérgica y no en forma aislada (Coutois y Olofsdotter, 1998). Las variedades tropicales de arroz javanica han mostrado poseer un mayor potencial alelopático contra las malezas que otros arroces, especialmente contra Echinochloa spp. (Jensen et al., 2001).

Análisis de los loci de características cuantitativas

Hasta hace poco tiempo muchos estudios verificaron los mecanismos de un sistema de autodefensa, incluyendo la alelopatía en las plantas, especialmente referida al metabolismo de fenilpropanoides (Figura 2) e isoterpenoides (Figura 3). Las plantas responden al estrés ambiental por medio de una variedad de reacciones bioquímicas que pueden proporcionar protección contra los agentes causantes. El incremento de compuestos fenólicos y terpenoides alelopáticos bajo condiciones de estreses ambientales ha sido bien documentado. Por ejemplo, un fortalecimiento de la luz UV-B induce la acumulación de fenilpropanoides y flavonoides en diferentes especies tales como frijoles, perejil, papa, tomate, maíz, centeno, cebada y arroz (Hahlbrock y Scheel, 1989; Ballare et al., 1995; Tevini et al., 1991; Liu et al., 1995; Kim et al., 2000a).

Figura 2. Esquema del proceso del fenilpropanoide

Procesos para la síntesis de compuestos aleloquímicos

Todos los fenilpropanoides son derivados del ácido cinnámico el cual es formado a partir de la fenilalanina por acción catalítica de la fenilalanina amionioliasa (PAL), la enzima ramificada entre el metabolismo primario (proceso «shikimate») y secundario (fenilpropanoide) (Figura 2). Se sabe que muchos compuestos fenólicos no tienen solamente una capacidad fisiológica funcional sino también potencial alelopático para las plantas.

Los compuestos isoprenoides son producidos a partir de unidades isoprenoides C₅y la clasificación de las diferentes familias de isoprenoides está basada en el número de unidades de isoprenoides C₅ presentes en el esqueleto de los compuestos (Gershenzon y Croteau, 1993) (Figura 3). En particular, los diterpenoides son conocidos por la función importante que tienen en los mecanismos de autodefensa del arroz así como por el potencial alelopático. Los terpenoides tienen distintas funciones en las plantas como hormonas (giberelinas, ácido absícico), pigmentos fotosintéticos (fitol, carotenoides), trasportadores de electrones (ubiquinona, plastofatos), mediadores de la unión de polisacáridos (fosfatos de poliprenilo) y componentes estructurales de las membranas (fitosteroles). Además de las funciones universales fisiológicas, metabólicas y estructurales muchos compuestos terpenoides específicos (comúnmente en las familias C₁₀, C₁₅ y C₂₀) sirven para la comunicación y la defensa. Se ha determinado que terpenoides específicos inducidos han sido correlacionados con interacciones planta-planta, planta-insecto y planta-patógeno.

Figura 3. Esquema del proceso de los isoprenoides

Compuestos aleloquímicos putativos

Existen una serie de estudios indicando que las comunes sustancias alelopáticas putativas encontradas en el arroz son compuestos fenólicos (Rice, 1987; Chou et al., 1991; Inderjit, 1996; Mattice et al., 1998; Blum, 1998). Kim et al. (2000b) identificaron varios compuestos por análisis GC/MS del cv. ‘Kouketsumochi’: compuestos potencialmente alelopáticos del arroz como esteroles, benzaldehidos, derivados del benzeno, ésteres de ácidos grasos de cadena larga, aldehidos, cetonas y aminas identificados en fracciones con actividad biológica. Varios compuestos alelopáticos del cultivar alelopático ‘Taichung Native 1’ han sido identificados por el método de aislación de bioensayo guiado (Rimando et al., 2001). Estos compuestos son ácido azelaico, ácido p-cumárico, 1H-indol-carboxyaldehido, 1H-indol-3-ácido carboxílico, 1H-indol-5-ácido carboxilíco y ácido 1,2-ácido benzenodicarboxílico bis (2-etilexilo) éster. Entre las sustancias alelopáticas identificadas, el ácido p-cumárico, un conocido compuesto aleloquímico, inhibió la germinación de plántulas de lechuga (Lactuca sativa L.) a una concentración de 1 mM pero fue activo contra Echinochloa spp. solamente a 3 Mm (Rimando et al., 2001). Kim et al. (2001b) informaron de una tendencia similar con el ácido p-cumárico que estuvo presente en arroces con potencial alelopático tales como ‘Kouketsumochi’, ‘Tang Gan’ y ‘Taichung Native 1’. Además, el contenido de este ácido se incrementó notablemente por irradiación UV (Figura 4).

Figura 4. Compuestos intermedios en el proceso del fenilpropanoide en varios cultivares identificados por HPLC. El extracto de las hojas de arroz fue hecho con 10 ml de metanol y 20 ul de la muestra tratada fueron inyectados a una columna CLC-ODS. Nota: 4HBA: ácido 4-dehidroxibenzoico. CAN: ácido cinnámico; p-CMA: ácido p-cumárico; BA: ácido benzoico; SA: ácido salicílico.

Estos resultados sugieren claramente que el ácido p-cumárico puede ser un compuesto regulado por estreses ambientales y tener una función importante en la alelopatía del arroz. Por el contrario, existen distintos informes que indican que la concentración de un solo ácido fenólico y las combinaciones de todos los ácidos fenólicos determinados en los ecosistemas de producción de arroz no alcanzan a niveles fitotóxicos (Tanaka et al., 1990; Olofsdotter et al., 2001). Hasta el momento se asume que no se ha identificado ningún compuesto simple responsable por la aleopatía del arroz; al contrario, se presume que más de un compuesto es probablemente responsable por la misma. Por lo tanto, la identificación de compuestos aleloquímicos en el arroz para ser usados como marcadores en la identificación y regulación de los genes es un tema de primera importancia.

ESTRATEGIAS PARA EL FITOMEJORAMIENTO DE CULTIVOS ALELOPÁTICOS

Los tres enfoques utilizados para crear cultivares alelopáticos son: i) el método tradicional de fitomejoramiento; ii) la incorporación de propiedades alelopáticas al arroz híbrido y iii) la ingeniería genética. Desde el punto de vista del fitomejoramiento, la distinción entre alelopatía y competencia es algo difícil de identificar en el campo del agricultor dado que el fenómeno realmente importante es la interferencia (Courtois y Olofsdotter, 1998). Al respecto, el mejor camino podría ser la obtención de cultivares alelopáticos con alta competitividad. Si efectivamente se pudieran obtener cultivares alelopáticos esta sería una importante contribución para los agricultores en los países productores de arroz.

Fitomejoramiento tradicional

Si están involucrados un alto número de QTL con efecto limitado, el método tradicional de fitomejoramiento puede ser una alternativa razonable (Courtois y Olofsdotter, 1998). El principio del fitomejoramiento tradicional para los estudios genéticos es simple. Dos líneas parentales con comportamiento contrastante son cruzadas y las líneas endocriadas recombinadas (RIL) son derivadas por medio del método de la descendencia de una sola semilla (SSD).

Este procedimiento consiste en reproducir la F₂ sin selección por dos o tres generaciones -algunas veces por cuatro o cinco generaciones- de tal modo que cada semilla de F₄o F₅conduce a una planta diferente F₂.Solamente se conserva una semillade cada planta en cada generación. Esto se repite por dos o más generaciones de modo que puedan ser seleccionadas las plantas que tienen caracteres deseables. Una vez que se ha obtenido un grado razonable de fijación puede ser evaluado el potencial alelopático de las RIL. A continuación la semilla puede ser incrementada y ensayada bajo condiciones de campo para ser usada como cultivares alelopáticos.

Un cruzamiento entre ‘Donginbyeo’ (un cultivar no alelopático pero de alto rendimiento y buena calidad) y ‘Koukesumochi’ (un cultivar alelopático pero similar a los tipos salvajes) fue hecho por medio del método de fitomejoramiento SSD. Se identificó la generación F₅ de esta cruza con potencial alelopático por medio del método de extracción de agua. El potencial alelopático de la generación F₆está actualmente (2003) siendo evaluado en condiciones de campo. El método SSD es más simple que el método del pedigrí. El método SSD tiene varias ventajas, incluyendo un rápido incremento de la variancia aditiva entre familias, la necesidad de contar solo con un pequeño espacio para los cruzamientos y la economía del trabajo y la adecuación para los caracteres de baja heredabilidad donde la selección visual no es efectiva (Moreno-González y Cubero, 1993).

Otro método es cruzar dos parentales con comportamiento contrastante por medio del método de retrocruzas para producir líneas casi isogénicas (NIL) que llevan genes diferentes. El potencial alelopático de las NIL puede ser determinado cuando se obtiene un razonable grado de fijación.

A pesar de la influencia de la biotecnología y de la ingeniería genética para cambiar los futuros métodos de producción para la obtención de nuevas variedades, la investigación en el fitomejoramiento tradicional cumplirá una importante función en los futuros programas de mejoramiento varietal. Un posterior refinamiento de estos métodos y un mejor conocimiento del conocimiento clásico son un prerrequisito para el uso racional de nuevas herramientas tales como los marcadores moleculares.

Arroz híbrido con alelopatía

El arroz híbrido de tres líneas producido en China es un buen competidor en razón de su rápido y profuso crecimiento vegetativo, en comparación con las líneas endocriadas. Sería útil que pudieran ser introducidos caracteres alelopáticos en la línea restauradora de la producción del arroz híbrido de tres líneas. Lin et al. (2000) intentaron la retrocurza y la autofecundación simultáneas para desarrollar arroz híbrido con actividad alelopática y su contraparte arroz híbrido isogénico con efecto no alelopático sobre las malezas. Tres líneas de arroz, ‘Kouketsumochi’, ‘Rexmont’ e ‘IR24’ fueron usadas como donantes de genes de alelopatía, de no alelopatía y restauradores, respectivamente. La retrocruza fue usada para desarrollar las líneas restauradoras con actividad alelopática y su línea isogénica con genes no alelopáticos. Las líneas restauradoras seleccionadas fueron cruzadas con líneas con citoplasma estéril (línea A) actualmente usadas para probar la tasa de cruzamiento (Figura 5); también se ilustra un esquema de como desarrollar arroz híbrido con potencial alelopático.

El potencial alelopático y el comportamiento de la heterosis fueron analizados en el laboratorio y en el invernadero usando el método del extracto de agua y el método de la densidad dependiente, respectivamente (Richardson et al., 1988; Lin et al., 2000). Los resultados indicaron que el efecto heterótico sobre la alelopatía en el arroz fue positivamente significativo mostrando mayor heterosis sobre los medio parentales. Además, este híbrido específico de arroz tuvo un efecto supresivo sobre la maleza- objetivo (Echinochloa spp.) mostrando un gran desviación de la curva de competencia de recursos (Lin et al., 2000). Este enfoque parece ser un método promisorio que puede incorporar caracteres alelopáticos en el arroz híbrido de alto rendimiento.

Figura 5. Esquema para introducir un gene alelopático favorable en arroz híbrido del donante ‘Kouketsumochi’ en el parental recurrente ‘IR24’, línea restauradora por retrocruza y autofecundación simultáneas.

Notas: X=cruzamiento. La importancia de la alelopatía en la obtención de nuevos cultivares - Image 1

=autofecundación

Enfoque molecular

Se han sugerido dos métodos para crear más cultivos alelopáticos: (1) la regulación de la expresión de los genes relacionada con la biosíntesis aleloquímica y, (2) la inserción de genes para producir compuestos aleloquímicos que no se encuentran en el cultivo (Duke et al., 2001). La mayor parte de la información actualmente disponible sobre la ingeniería de los compuestos aleloquímicos proviene de los esfuerzos de la sobreproducción de metabolitos secundarios valiosos en las plantas (Canel 1999). En relación con el enfoque molecular una referencia interesante ha sido publicada por Gressel (2002).

La mayor parte de los metabolitos secundarios que están siendo usados como compuestos aleloquímicos son muy complejos y un sistema de multigenes debería ser desarrollado y transformado en el cultivo específico para producir esos compuestos (Gressel, 2002). Esta parecer ser aún una hipótesis pero sin embargo en estos momentos se están abriendo nuevas áreas. Varias especies de plantas suprimen otras especies por medio de la producción de compuestos aleloquímicos que no son tóxicos para la planta que los origina pero que son tóxicos para otra vegetación. Se sabe ahora que los enfoques moleculares en la obtención de cultivares alelopáticos son potencialmente más complicados que el desarrollo de un cultivo resistente a los herbicidas o que la producción de una especie con resistencia a insectos o patógenos.

Regulación de la expresión de un gen relacionada con los compuestos aleloquímicos

Para regular la expresión de un gen, el primer requerimiento es identificar el compuesto o los compuestos aleloquímicos objetivo a fin de determinar las enzimas y los genes que los codifican; de esta manera un promotor específico puede ser inserido en las plantas cultivadas para fortalecer la producción de compuestos aleloquímicos.

En nuestro reciente trabajo, el mayor contenido de ácido p-cumárico fue encontrado en formas intermedias del proceso del fenilpropanoide de varios de los cultivares alelopáticos de arroz (Figura 4). El ácido cinámico 4-dehidroxilasa (CA4H) es la enzima que cataliza el pasaje del ácido cinámico a ácido p-cumárico, una reacción clave en la biosíntesis de un gran número de compuestos fenólicos en las plantas superiores. La actividad de la CA4H fue medida para comprender como es influenciada por la radiación UV en las hojas de arroz. La actividad de la CA4H en el cultivar ‘Kouketsumochi’ fue inducida por la luz UV y su actividad máxima se observó 24 horas después de la irradiación con UV durante 20 minutos. ‘AUS 196’ no mostró respuesta indicando así un diferencial de respuesta a la luz UV o a otros estreses ambientales entre los cultivares de arroz. Más aún, esto indica que algunos metabolitos con potencial alelopático podrían ser nuevamente sintetizados o fuertemente incrementados en las plantas de arroz por medio de la irradiación UV (Kim et al., 2000a). Debido al mayor contenido de ácido p-cumárico en las plantas de arroz irradiadas con luz UV se asumió que el gen CA4H tiene un papel importante en la intensificación de la función alelopática en las plantas de arroz.

Se llevaron a cabo estudios posteriores para investigar promotores específicos que confieran capacidad de respuesta a los estreses ambientales y para la interacción planta-planta. Si un promotor tiene una capacidad de respuesta específica a un solicitador, este puede ser usado para regular genes para codificar el potencial alelopático. Examinamos la expresión del GUS de las plantas de tabaco transformadas con la construcción de varios promotores de CASC (ciclasa sesquiterpeno de Capsicum annuum) fusionados en el gen GUS de modo de determinar los motivos de una respuesta efectiva a la luz UV. Back et al. (1998) informaron que la luz UV tiene un papel fundamental en la expresión de los genes relacionados con la defensa y la biosíntesis de fitoalexinas en el pimiento.

Para determinar si los promotores CASC eran inducibles o no por la luz UV examinamos la actividad GUS de plantas transgénicas. Estas plantas fueron irradiadas durante 15 minutos usando una lámpara germicida Hitachi (15W) a 20 cm de distancia. Las hojas irradiadas fueron colocadas en un medio MS por 24 horas y fueron usadas para medir la actividad. Los niveles de actividad de GUS para las plantas transgénicas con pBI121-KF1 y pBI121-KF6 fueron aumentados en forma significativa por la irradiación UV y tuvieron un incremento de aproximadamente dos a tres veces mayor que las plantas transgénicas no tratadas. Al contrario, la expresión de GUS en las plantas transgénicas con pBI121-CaMV 35S no fue cambiada por la exposición a la luz UV y en otros casos tuvieron solo un pequeño incremento (Shin et al., 2000).

Este resultado sugiere que los promotores CASC de KF-1 y KF-6 pueden contener elementos con acción cis capaces de conferir modelos de expresión cuantitativa que están exclusivamente asociados con la irradiación UV. La regulación de los genes asociados con la alelopatía puede ser obtenida desarrollando un promotor específico que responda a la competencia planta-maleza o a los estreses ambientales. Los promotores CASC de KF-1 y KF-6 obtenidos pueden ser específicos para la luz UV. Por lo tanto, este promotor puede ser usado para la sobreexpresión de promotores específicos construídos para genes de producción de compuestos alelopáticos (Shin et al., 2000). Para regular el gen CA4H en el proceso del fenilpropanoide, los promotores específicos CASC-KF-1 y KF-6 fueron fusionados con el gen CA4H. Los elementos del gen fueron introducidos en el binario del vector de expresión de la planta pIG121-HMR con la inversa del preparador albergando el sitio BamHI y el preparador directo albergando el sitio HindIII (Figura 6). En la actualidad se están investigando los efectos reguladores sobre la codificación genética por las enzimas productoras de compuestos alelopáticos.

Figura 6. Chasis del gen con promotores específicos con respuesta a irradiación UV en pIG121-HmR

Inserción de genes para producir compuestos aleloquímicos

Este enfoque emplea la alteración existente de los procesos bioquímicos por medio de la inserción de transgenes para producir nuevos compuestos aleloquímicos. Parece ser un enfoque difícil de emplear pero, sin embargo, es uno de los enfoques moleculares promisorios a ser desarrollados en el futuro cercano. Al respecto Duke et al. (2001) presentan una buena revisión y un libro de referencias sobre biología molecular del control de malezas ha sido recientemente publicado por Gressel (2002).

CONCLUSIONES

El mejoramiento del potencial alelopático de las variedades cultivadas tendrá un gran impacto sobre los sistemas de producción agrícola, tanto en aquellos sistemas de bajos insumos como en los de altos insumos. Es poco probable que la alelopatía por si sola puede reemplazar totalmente a otras prácticas de control de malezas ya que su efectividad es influenciada por muchos factores. Sin embargo, una reducción del uso de los herbicidas será un beneficio para los agricultores y también reducirá el impacto en el ambiente.

En la actualidad no hay disponibles cultivares comerciales con propiedades alelopáticas pero existe la posibilidad de obtener nuevos cultivares alelopáticos regulando su capacidad para producir compuestos alelopáticos. Junto con el desarrollo y la obtención de nuevos cultivares alelopáticos se ha hecho un progreso importante en los métodos de selección, identificación de compuestos aleloquímicos específicos y genes relacionados que pueden ser utilizables en programas de fitomejoramiento. Si son identificados los compuestos aleloquímicos y los genes responsables por los efectos alelopáticos, estos caracteres pueden ser fácilmente incorporados en los cultivares mejorados por medio de técnicas de fitomejoramiento disponibles en la actualidad.

Por supuesto, para que esta tecnología pueda ser utilizada prácticamente en los sistemas de producción de arroz, los problemas potenciales tales como la autotoxicidad, el desequilibrio metabólico, los efectos residuales y el desarrollo de poblaciones tolerantes en la reiteración de los cultivos de esos cultivares, deben ser solucionados antes de que esos cultivos sean liberados.

De cualquier manera, se asume que la obtención de nuevos cultivares alelopáticos representará una atracción interesante para satisfacer la demanda de los consumidores y los ambientalistas. Un enfoque de equipo multidisciplinario que abarque un amplio grupo de científicos, incluyendo investigadores sobre malezas, ecólogos, químicos de productos naturales, fitomejoradores y biólogos moleculares podría contribuir a satisfacer el objetivo de obtener cultivares alelopáticos. Estudios adicionales sobre la identificación de compuestos aleloquímicos específicos y sobre los genes responsables por la alelopatía podrán arrojar luz sobre los métodos fitotécnicos adecuados para el desarrollo de cultivares alelopáticos.