Alcaloide de lolina - Loline alkaloid
Un alcaloide lolina es un miembro de las 1-aminopirrolizidinas (a menudo denominadas lolinas ), que son productos naturales bioactivos con varias características biológicas y químicas distintas. Los lolines son compuestos insecticidas y disuasorios de insectos que se producen en pastos infectados por simbiontes fúngicos endofíticos del género Epichloë ( especie de anamorfo : Neotyphodium ). Los lolines aumentan la resistencia de los pastos infectados con endófitos a los insectos herbívoros y también pueden proteger a las plantas infectadas de tensiones ambientales como la sequía y la competencia espacial. Son alcaloides , compuestos orgánicos que contienen átomos de nitrógeno básicos. La estructura química básica de las lolinas comprende un anillo de pirrolizidina saturado , una amina primaria en el carbono C-1 y un puente de éter interno , una característica distintiva de las lolinas, que es poco común en compuestos orgánicos, que une dos anillos distantes (C- 2 y C-7) carbonos (ver Fig.1). Diferentes sustituyentes en la amina C-1, como los grupos metilo , formilo y acetilo , producen especies de linas que tienen bioactividad variable contra los insectos. Además de los simbiontes endófito-pasto, también se han identificado alcaloides de lolina en algunas otras especies de plantas ; a saber, especies de Adenocarpus (familia Fabaceae ) y Argyreia mollis (familia Convolvulaceae ).
Descubrimiento
Un miembro de los alcaloides de lolina se aisló por primera vez de la hierba Lolium temulentum y su composición elemental se determinó en 1892. Inicialmente se llamó temulina y luego se renombró norlolina . (Revisado por Schardl et al. (2007).) Estudios realizados en las décadas de 1950 y 1960 por investigadores rusos establecieron el nombre loline e identificaron el característico puente de éter 2,7 en su estructura molecular. Desde entonces, los métodos analíticos para la purificación y el análisis de las lolinas se han perfeccionado y se han identificado varias especies diferentes de linas en muchas Lolium y gramíneas relacionadas infectadas por endófitos Epichloë / Neotyphodium (epichloae). Los lolines están ausentes en las plantas herbáceas que no albergan los endófitos epichloae, y no todos los epichloae producen lolines. Debido a la asociación muy íntima de la planta y el endófito y las dificultades para reproducir las condiciones simbióticas in vitro , durante mucho tiempo se desconoció si el hongo era el productor de las lolinas o si las sintetizaba la planta en respuesta a una infección endófita. En 2001, se demostró que el endófito Neotyphodium uncinatum produce lolines en algunos medios de crecimiento químicamente definidos , lo que sugiere que el endófito también es el productor de lolines en la planta de pasto. También se ha informado de lolines en algunas plantas de varias familias de plantas , lo que sugiere una presencia más generalizada de estos compuestos en la naturaleza.
Mecanismo de acción
Los lolines son insecticidas y disuasivos para una amplia gama de insectos, incluidas especies de Hemiptera , Coleoptera , Hymenoptera , Lepidoptera y Blattodea , como el pulgón de avena (género Rhopalosiphum ), la chinche grande del algodoncillo ( Oncopeltus fasciatus ) y la chinche americana cucaracha ( Periplaneta americana ). LC 50 valores de N -formylloline o N -acetylloline partir de extractos de semillas de césped son 1-20 mg / ml para los áfidos y chinches y perjudicar el desarrollo del insecto y la fecundidad y causa la evitación de los tejidos de hierba que contiene LOLINE. Sin embargo, los resultados de las pruebas de alimentación con extractos de pasto son en ocasiones difíciles de interpretar debido a la presencia de otros alcaloides endófitos en estos extractos, y se desconocen los mecanismos exactos de las acciones insecticidas de las lolinas. Las lolinas pueden ser neurotóxicas para los insectos, y las diferencias en los grupos químicos en la C-1-amina dan como resultado diferentes niveles de toxicidad por insectos; por ejemplo, la N- formilolina (ver Fig. 2), que se encuentra en concentraciones más altas en plantas herbáceas infectadas con endófitos, tiene una mayor toxicidad por insectos que algunas otras lolinas, que ocurren en concentraciones más bajas en la planta herbácea.
Las bioactividades de Loline muestran una variabilidad inesperada con variaciones en su concentración en los tejidos del césped. Por ejemplo, el endófito de festuca alta, N. coenophialum , se ha asociado con una mayor resistencia al nematodo endoparásito de la raíz migratoria, Pratylenchus scribneri . En concentraciones bajas, la N -formilolina actúa como quimioatrayente para P. scribneri , pero actúa como repelente en concentraciones más altas. Sin embargo, los alcaloides del cornezuelo de centeno también tienen efectos repelentes e inmovilizadores sobre P. scribneri , y un endófito del raigrás perenne que carece de lolinas y está diseñado genéticamente para no producir alcaloides del cornezuelo de centeno, exhibe resistencia a este nematodo. Por lo tanto, la importancia relativa de los alcaloides de lolina y cornezuelo de centeno para la resistencia a los nematodos sigue sin estar clara.
Muchos endófitos de epichloae, incluido N. coenophialum simbiótico con Lolium arundinaceum (sin. Festuca arundinacea , festuca alta), también producen alcaloides del cornezuelo de centeno que son tóxicos para los mamíferos herbívoros. Los alcaloides del cornezuelo de centeno se encuentran en concentraciones relativamente bajas en la planta y, a menudo, son difíciles de detectar analíticamente. Por el contrario, los lolines se acumulan con frecuencia a niveles muy altos en los tejidos de la hierba y, por lo tanto, inicialmente también se asociaron con toxicidad para los herbívoros mamíferos . Específicamente, se pensó que las lolinas eran responsables de síntomas tóxicos llamados toxicosis de festuca que se manifiestan por el ganado que pasta en pastos infectados por N. coenophialum . Sin embargo, posteriormente se demostró que solo los alcaloides del cornezuelo de centeno producidos por endofitos son responsables de los síntomas de la toxicosis de la festuca (o síndrome de verano ), y no las lolinas que, incluso en dosis altas, tienen efectos fisiológicos muy pequeños en los mamíferos que se alimentan. Otro grupo de alcaloides, los alcaloides de tipo senecio , son producidos por varias plantas y, al igual que las lolinas, los alcaloides de senecio poseen una estructura de anillo de pirrolizidina. Sin embargo, a diferencia de las lolinas, los alcaloides del senecio exhiben una fuerte hepatotoxicidad , debido a un doble enlace entre C-1 y C-2 en su estructura de anillo. Este doble enlace está ausente en las lolinas, lo que explica la falta de hepatotoxicidad de este grupo de compuestos. Se ha sugerido que las lolinas inhiben la germinación de semillas o el crecimiento de otras plantas ( alelopatía ) y aumentan la resistencia de las gramíneas infectadas contra la sequía , pero tales efectos no se han comprobado en condiciones de cultivo más naturales o en hábitats.
Producción y distribución en la planta de pasto
Las lolinas son producidas por varias simbiosis herbáceas-endófitas que involucran especies de epichloae, a menudo junto con otros metabolitos bioactivos como alcaloides del cornezuelo de centeno y diterpenoides indol , y el inusual alcaloide pirrolopirazina, peramina, que no se encuentra en otras comunidades u organismos biológicos. Sin embargo, las lolinas se producen a niveles que pueden superar los 10 mg / g de tejido de la hierba (entre 2 y 20 000 μg / g), superando las concentraciones de los otros alcaloides endófitos en> 1000 veces. Las lolinas producidas en las gramíneas Lolium pratense (sin. Festuca pratensis , festuca del prado) y festuca alta infectadas por N. uncinatum y N. coenophialum (ver Fig. 3), respectivamente, exhiben concentraciones variables en los tejidos de las gramíneas. En las semillas y en los tejidos de las hojas más jóvenes están presentes concentraciones más altas de lolina (100 a 1000 μg / g), y las lolinas muestran cambios estacionales en los niveles de concentración en toda la planta. La aparición periódica de tejidos con altas concentraciones de lolina, como tallos florales y semillas, contribuye a esta variación estacional. Las concentraciones de lolina a menudo aumentan en los tejidos de la hierba que vuelven a crecer después de la defoliación y el corte de las plantas, lo que sugiere un mecanismo de respuesta de defensa inducible , que involucra a ambos socios simbióticos. Sin embargo, este aumento parece deberse a niveles más altos de lolina en las hojas más jóvenes en comparación con las hojas más viejas, pero también se han informado aumentos de lolina que se asemejan a las defensas inducibles de las plantas. La variación de la concentración de lolina con la etapa de desarrollo de tejidos específicos de la hierba sugiere la regulación de las distribuciones de lolina en planta , proporcionando una mayor protección de los tejidos recién crecidos o embrionarios contra los ataques de insectos. Sorprendentemente, la aplicación exógena del compuesto de señalización vegetal, jasmonato de metilo , que comúnmente indica la depredación por insectos, disminuye la expresión de los genes de las lolinas. Los factores que controlan la producción de lolina también varían entre los tejidos de gramíneas infectados con endófitos: mientras que los aminoácidos suministrados por las plantas que son precursores de lolina limitan la acumulación de lolines en muchos tejidos de gramíneas, su producción en tejidos que soportan el crecimiento de micelio externo para la reproducción de hongos ( estromas ) es menor . regulado por la expresión de genes loline.
Biosíntesis
Las lolinas son estructuralmente similares a los alcaloides de pirrolizidina producidos por muchas plantas, en particular el anillo de necina que contiene una amina terciaria . Esto llevó a la hipótesis inicial de que la biosíntesis de las lolinas es similar a la de las pirrolizidinas vegetales, que se sintetizan a partir de poliaminas . Sin embargo, estudios de alimentación con aminoácidos marcados con isótopos de carbono o moléculas relacionadas en cultivos puros del hongo productor de lolina N. uncinatum demostraron recientemente que la vía del alcaloide de lolina es fundamentalmente diferente de la de las pirrolizidinas vegetales. La estructura química básica de la lolina se ensambla en varios pasos biosintéticos a partir de los precursores de aminoácidos , L -prolina y L -homoserina . En el primer paso propuesto en la biosíntesis de lolina, estos dos aminoácidos se acoplan en una reacción de condensación que une el carbono γ en la homoserina con la amina secundaria en la prolina en una reacción catalizada por enzimas de tipo PLP para formar el intermedio de lolina, N - ( 3-amino-3-carboxi) propilprolina (NACPP). Se cree que los pasos adicionales en la biosíntesis de lolina proceden con descarboxilaciones secuenciales catalizadas por enzima PLP y oxidativas de los grupos carboxi en los restos de homoserina y prolina, respectivamente, ciclación para formar la estructura del anillo central de lolina y oxidación de C-2 y C -7 carbonos para dar el puente de oxígeno que atraviesa los dos anillos de pirrolizidina.
Los estudios genéticos coinciden con las rutas biosintéticas establecidas en los experimentos de alimentación con precursores. Estudios basados en AFLP que utilizan cruces entre cepas del endófito, Epichloë festucae , que difieren en la capacidad de producir lolines, muestran que la producción de lolines y la protección de la hierba, Lolium giganteum , de la alimentación del pulgón , Rhopalosiphum padi , se segrega en un mendeliano. Moda. La presencia de un solo locus para la producción de lolina fue confirmada más tarde por el hallazgo de que los endófitos de epichloae productores de lolina contienen un grupo de genes ( grupo LOL ) de al menos once genes. Los genes LOL se regulan positivamente en gran medida y de forma coordinada durante la producción del alcaloide lolina, y las pruebas genéticas experimentales que implican la manipulación de genes LOL seleccionados mediante la interferencia del ARN y la eliminación genética han confirmado directamente la participación de dos de los genes LOL en la biosíntesis de lolina. Estas pruebas y similitudes en las secuencias de péptidos de las proteínas codificadas por estos genes con enzimas conocidas indican que es probable que se requiera un gen, denominado lolC , para el primer paso en la biosíntesis de lolina (condensación de L- prolina y L -homoserina para la formación de NACPP). y otro gen, LolP , que probablemente codifica una monooxigenasa del citocromo P450 , para la oxigenación de un grupo metilo en la amina C-1 de la N- metilolina, que da la lolina más abundante en muchos simbiontes endófitos de gramíneas, N -formilolina.