alcaloide de lolina

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 distintivas. Las lolinas son compuestos insecticidas y repelentes de insectos que se producen en gramíneas infectadas por hongos simbiontes endófitos del género Epichloë ( especie anamorfa : Neotyphodium ). Las lolinas aumentan la resistencia de las gramíneas infectadas por endófitos a los insectos herbívoros y también pueden proteger a las plantas infectadas de estrés ambiental 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 éter interno —una característica distintiva de las lolinas, poco común en compuestos orgánicos— que une dos carbonos distantes del anillo (C-2 y C-7) (véase la Fig. 1). Diferentes sustituyentes en la amina C-1, como los grupos metilo , formilo y acetilo , dan lugar a especies de lolina con bioactividad variable contra los insectos. Además de en los simbiontes endofitos-gramíneas, también se han identificado alcaloides de lolina en otras especies vegetales , concretamente en especies de Adenocarpus (familia Fabaceae ) y Argyreia mollis (familia Convolvulaceae ).

Un miembro de los alcaloides lolina fue aislado por primera vez de la gramínea Lolium temulentum y su composición elemental se determinó en 1892. Inicialmente se le denominó temulina y posteriormente se le cambió el nombre a norlolina . ^{[ 1 ]} Estudios realizados en las décadas de 1950 y 1960 por investigadores rusos establecieron el nombre lolina e identificaron el característico puente éter 2,7 en su estructura molecular. ^{[ 1 ]} 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 lolina en muchas gramíneas Lolium y relacionadas infectadas por los endófitos Epichloë/Neotyphodium (epichloae). ^{[ 2 ] [ 3 ]} Las lolinas están ausentes en las plantas de gramíneas que no albergan los endófitos epichloae, y no todos los epichloae producen las lolinas. ^{[ 1 ]} Debido a la estrecha relación entre la planta y el endófito, y a las dificultades para reproducir las condiciones simbióticas in vitro , durante mucho tiempo se desconocía si el hongo era el productor de las lolinas o si estas eran sintetizadas por la planta en respuesta a la infección del endófito. En 2001, se demostró que el endófito Neotyphodium uncinatum produce lolinas en algunos medios de cultivo químicamente definidos , ^{[ 4 ]} lo que sugiere que el endófito también es el productor de las lolinas en la planta de pasto. Las lolinas también se han reportado en algunas plantas de varias familias de plantas , ^{[ 5 ] [ 6 ]} lo que sugiere una presencia más generalizada de estos compuestos en la naturaleza.

Las lolinas son insecticidas y disuasorias para una amplia gama de insectos, incluidas especies de Hemiptera , Coleoptera , Hymenoptera , Lepidoptera y Blattodea , como el pulgón del cerezo y la avena (género Rhopalosiphum ), la chinche grande de la asclepia ( Oncopeltus fasciatus ) y la cucaracha americana ( Periplaneta americana ). ^{[ 1 ] [ 7 ]} Los valores de LC ₅₀ de N -formilolina o N -acetilolina de extractos de semillas de pasto son de 1-20 μg/ml para pulgones y chinches de la asclepia y afectan el desarrollo y la fecundidad  de los insectos y causan evitación de los tejidos de pasto que contienen lolina. ^{[ 7 ]} Sin embargo, los resultados de las pruebas de alimentación con extractos de pasto son ocasionalmente difíciles de interpretar debido a la presencia de otros alcaloides endófitos en estos extractos, ^{[ 1 ]} 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 amina C-1 dan como resultado diferentes niveles de toxicidad para los insectos; por ejemplo, la N -formilolina (véase la Fig. 2), que se encuentra en concentraciones más altas en plantas de pasto infectadas por endófitos, ^{[ 7 ]} tiene mayor toxicidad para los insectos que otras lolinas, que se encuentran en concentraciones más bajas en la planta de pasto. ^{[ 1 ]}

Las bioactividades de la lolina muestran una variabilidad inesperada con la variación de su concentración en los tejidos de las gramíneas. Por ejemplo, el endófito de la festuca alta, N. coenophialum , se ha asociado con una mayor resistencia al nematodo endoparásito de la raíz migratorio, Pratylenchus scribneri . A bajas concentraciones, la N -formilolina sirve como quimioatrayente para P. scribneri , pero actúa como repelente a concentraciones más altas. ^{[ 8 ]} Sin embargo, los alcaloides del cornezuelo también tienen efectos repelentes e inmovilizadores sobre P. scribneri , ^{[ 8 ]} y un endófito del raigrás perenne que carece de lolinas, y modificado genéticamente para no producir alcaloides del cornezuelo, exhibe resistencia a este nematodo. ^{[ 9 ]} Por lo tanto, la importancia relativa de la lolina y los alcaloides del cornezuelo para la resistencia a los nematodos sigue sin estar clara.

Muchos endófitos epicloae, incluyendo N. coenophialum simbiótico con Lolium arundinaceum (sin. Festuca arundinacea , festuca alta), también producen alcaloides del cornezuelo que son tóxicos para los herbívoros mamíferos. Los alcaloides del cornezuelo se encuentran en concentraciones relativamente bajas en la planta y a menudo son difíciles de detectar analíticamente. Por el contrario, las lolinas frecuentemente se acumulan a niveles muy altos en los tejidos de la hierba, ^{[ 1 ]} y, por lo tanto, inicialmente también se asociaron con toxicidad para los herbívoros mamíferos . ^{[ 10 ]} Específicamente, se pensó que las lolinas eran responsables de los síntomas tóxicos llamados toxicosis de la festuca que presenta el ganado que pasta en pastos infectados por N. coenophialum . ^{[ 10 ]} Sin embargo, posteriormente se demostró que solo los alcaloides del cornezuelo producidos por el endófito son responsables de los síntomas de la toxicosis por festuca (o síndrome de verano ), ^{[ 11 ]} y no las lolinas que, incluso en dosis altas, tienen efectos fisiológicos muy pequeños en los mamíferos que se alimentan de ellas. ^{[ 12 ]} Otro grupo de alcaloides, los alcaloides de tipo senecio , son producidos por varias plantas y, al igual que las lolinas, los alcaloides senecio poseen una estructura de anillo de pirrolizidina. Sin embargo, a diferencia de las lolinas, los alcaloides senecio exhiben una fuerte hepatotoxicidad , ^{[ 13 ]} debido a un doble enlace entre C-1 y C-2 en su estructura de anillo. ^{[ 13 ]} 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 ), ^{[ 14 ]} y aumentan la resistencia de los pastos infectados a la sequía , pero tales efectos no se han corroborado en condiciones de cultivo más naturales o en hábitats. ^{[ 1 ] [ 15 ]}

Las lolinas son producidas por varias simbiosis de gramíneas-endófitos que involucran especies de epicloae, a menudo junto con otros metabolitos bioactivos que incluyen alcaloides del cornezuelo y diterpenoides indólicos , y el inusual alcaloide pirrolopirazínico, peramina , que no se encuentra en otras comunidades biológicas u organismos. Sin embargo, las lolinas se producen en niveles que pueden exceder los 10 mg/g de tejido de gramíneas (que oscilan entre 2 y 20 000 μg/g ^{[ 1 ] [ 16 ]} ), superando las concentraciones de los otros alcaloides endófitos en más de 1000 veces. ^{[ 7 ]} Las lolinas producidas en las gramíneas Lolium pratense (sin. Festuca pratensis , festuca de prado) y festuca alta infectadas por N. uncinatum y N. coenophialum (ver Fig. 3), respectivamente, exhiben concentraciones variables en los tejidos de las gramíneas. ^{[ 2 ] [ 16 ]} Se encuentran concentraciones más altas de lolina (100–1000 μg/g) en las semillas y en los tejidos de hojas jóvenes, y las lolinas muestran cambios estacionales en los niveles de concentración en toda la planta. ^{[ 16 ]} La aparición periódica de tejidos con altas concentraciones de lolina, como tallos florales y semillas, contribuye a esta variación estacional. ^{[ 16 ]} Las concentraciones de lolina a menudo aumentan en los tejidos de pasto 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 jóvenes en comparación con las hojas más viejas, ^{[ 17 ]} pero también se han reportado aumentos de lolina que se asemejan a defensas vegetales inducibles. ^{[ 18 ]} La variación de la concentración de lolina con la etapa de desarrollo de tejidos de pasto específicos ^{[ 16 ]} sugiere una regulación de las distribuciones de lolina en la planta , lo que proporciona una mayor protección de los tejidos recién crecidos o embrionarios contra los ataques de insectos. ^{[ 1 ]} Sorprendentemente, la aplicación exógena del compuesto de señalización vegetal, metil jasmonato —que comúnmente señala la depredación por insectos— disminuye la expresión de los genes para las lolinas. ^{[ 19 ]}   Los factores que controlan la producción de lolina también varían entre los tejidos de gramíneas infectados por endófitos: mientras que los aminoácidos suministrados por la planta que son precursores de la lolina limitan la acumulación de lolinas en muchos tejidos de gramíneas, ^{[ 17 ]} su producción en los tejidos que presentan crecimiento micelial externo para la reproducción del hongo ( estromas ) está regulada por la expresión de los genes de la lolina. ^{[ 20 ]}

Las lolinas son estructuralmente similares a los alcaloides pirrolizidínicos 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 de las plantas, que se sintetizan a partir de poliaminas . ^{[ 21 ]} 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 lolina es fundamentalmente diferente de la de las pirrolizidinas de las plantas. ^{[ 1 ]} 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 . ^{[ 22 ]} 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 de la homoserina con la amina secundaria de la prolina en una reacción catalizada por una enzima de tipo PLP para formar el intermedio de lolina, N -(3-amino-3-carboxi)propilprolina (NACPP). ^{[ 23 ]} Se cree que los pasos posteriores en la biosíntesis de lolina proceden con descarboxilaciones oxidativas y catalizadas por enzimas PLP secuenciales de los grupos carboxilo en las fracciones de homoserina y prolina, respectivamente, ciclación para formar la estructura central del anillo de lolina y oxidación de los carbonos C-2 y C-7 para dar el puente de oxígeno que une los dos anillos de pirrolizidina. ^{[ 1 ] [ 24 ]}

Los estudios genéticos concuerdan con las rutas biosintéticas establecidas en los experimentos de alimentación de precursores. ^{[ 1 ]} Los estudios basados ​​en AFLP que utilizan cruces entre cepas del endófito, Epichloë festucae , que difieren en la capacidad de producir lolinas, muestran que la producción de lolina y la protección del pasto, Lolium giganteum , de la alimentación del pulgón , Rhopalosiphum padi , segregan de manera mendeliana . ^{[ 25 ]} La presencia de un único locus para la producción de lolina fue confirmada posteriormente por el hallazgo de que los endófitos epichloae productores de lolina contienen un grupo de genes ( grupo LOL ) de al menos once genes. ^{[ 20 ] [ 26 ]} Los genes LOL se regulan positivamente de manera grande y coordinada durante la producción del alcaloide lolina, ^{[ 24 ]} y las pruebas genéticas experimentales que involucran la manipulación de genes LOL seleccionados por interferencia de ARN y eliminación de genes han confirmado directamente la participación de dos de los genes LOL en la biosíntesis de lolina. ^{[ 27 ] [ 28 ]} Estas pruebas y similitudes en las secuencias peptídicas de las proteínas codificadas por estos genes con enzimas conocidas indican que un gen, denominado lolC , es probablemente necesario para el primer paso en la biosíntesis de lolina (condensación de L -prolina y L -homoserina para la formación de NACPP), ^{[ 27 ]} 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- metillolina, que produce la lolina más abundante en muchos simbiontes gramíneas-endófitos, la N -formilolina. ^{[ 28 ]}