Resumen de Trichothecenes: biosynthesis, role in crop production, and detoxification strategies
- español
El presente trabajo aborda un estudio integral de los tricotecenos, un grupo de metabolitos secundarios de hongos con importantes implicaciones toxicológicas, ecológicas y biotecnológicas. El objetivo general de la tesis fue caracterizar los mecanismos de biosíntesis y las funciones biológicas de los tricotecenos en hongos de interés agrícola, analizar sus interacciones con cultivos y explorar estrategias biológicas de detoxificación del desoxinivalenol (DON) mediante bacterias aisladas de suelos agrícolas.
El enfoque metodológico se basó en la caracterización funcional de genes y enzimas implicados en la biosíntesis de tricotecenos mediante mutagénesis dirigida, análisis metabolómicos y ensayos de actividad antifúngica y fitobiológica. El estudio se complementó con análisis de muestras de suelo capaces de degradar DON, empleando este tricoteceno como única fuente de carbono y monitorizando los productos de degradación mediante cromatografía líquida y espectrometría de masas de alta resolución.
En los estudios de biosíntesis, los resultados revelaron diferencias funcionales significativas entre las monooxigenasas citocromo P450 implicadas en la hidroxilación de intermediarios biosintéticos. Mientras TRI13 y TRI22 mostraron especificidades estrictas, el enzima TRI11 evidenció una mayor promiscuidad de sustrato, lo que sugiere una flexibilidad estructural relacionada con la posición del oxígeno en C‑3.
Además, la deleción del gen tri22 en Trichoderma arundinaceum resultó en la producción de metabolitos no observados hasta ahora en la cepa silvestre. En el productor de tricotecenos macrocíclicos Paramyrothecium roridum, se identificó que el gen tri24, ausente en productores de tricotecenos simples, es esencial para la formación del anillo macrocíclico. Por otra parte, la caracterización del gen tri14 en T.
arundinaceum confirmó que este es necesario para la producción de harzianum A (HA) al nivel de la cepa silvestre, modulando la expresión de otros genes de biosíntesis de tricotecenos y el perfil metabolómico general.
Respecto a la actividad biológica, en un trabajo se llevó a cabo el aislamiento de cepas autóctonas de T. arundinaceum productoras de HA y se estudió su efecto sobre plantas de judía (Phaseolus vulgaris). Los aislados mostraron gran capacidad de antagonizar a los patógenos de judía Rhizoctonia solani y Sclerotinia sclerotiorum, promovieron la germinación y el crecimiento de estas plantas y activaron la expresión de genes de defensa vegetal, incluyendo la producción de quitinasas, demostrando la capacidad del HA para inducir resistencia sin comprometer el desarrollo vegetal. En los estudios de biosíntesis se confirmó que la pérdida de producción de HA reduce de forma muy significativa la actividad antifúngica de T. arundinaceum. En P. roridum, la eliminación del tri24 disminuyó su efecto fitotóxico y antifúngico, confirmando la importancia de la estructura macrocíclica.
Los experimentos de detoxificación biológica mostraron que comunidades bacterianas aisladas del suelo degradan DON principalmente mediante oxidación en C‑3, generando 3‑keto‑DON, aunque algunas pudieron lograr su mineralización total.
Los ensayos toxicológicos en células HepG2 demostraron que la degradación de DON sin residuos detectables eliminó su toxicidad, mientras la conversión a 3‑keto‑DON no la redujo significativamente. La composición de la comunidad microbiana fue un factor determinante: la pérdida de diversidad redujo la eficiencia de degradación, confirmando la naturaleza cooperativa del proceso. Finalmente, la cepa Devosia CECT 9973 degradó el DON en un 93,5% en siete días, produciendo el metabolito no tóxico 3‑epi‑DON.
En conjunto, los resultados aportan evidencia sólida sobre la diversidad funcional de los genes de biosíntesis de tricotecenos y la importancia de estos compuestos en la actividad biológica del hongo productor, abriendo nuevas perspectivas para su aprovechamiento en agricultura sostenible y biotecnología microbiana. También se demuestra que los consorcios bacterianos nativos constituyen una herramienta prometedora para la biorremediación de micotoxinas.
- English
This thesis addresses the comprehensive study of trichothecenes, a group of fungal secondary metabolites with major toxicological, ecological, and biotechnological relevance. The general aim was to characterize the biosynthetic mechanisms and biological functions of trichothecenes in agriculturally relevant fungi, analyze their interactions with plants, and explore biological strategies for deoxynivalenol (DON) detoxification by bacterial isolates from agricultural soils.
The methodological approach was grounded in the functional characterization of genes and enzymes involved in trichothecene biosynthesis through targeted mutagenesis, metabolomic profiling, and antifungal and phytobiological assays. These analyses were complemented by studies on the isolation of bacterial consortia capable of degrading DON, using the toxin as the sole carbon source. The degradation process was monitored by liquid chromatography and high-resolution mass spectrometry to identify transformation products.
Biosynthesis studies revealed significant functional differences among cytochrome P450 monooxygenases responsible for hydroxylation steps in trichothecene biosynthesis. While TRI13 and TRI22 displayed strict substrate specificity, TRI11 showed broader substrate tolerance, suggesting structural flexibility related to C-3 oxygenation patterns. Deletion of tri22 in Trichoderma arundinaceum led to the accumulation of previously undetected metabolites, indicating alternative oxidative pathways. In the macrocyclic trichothecene producer Paramyrothecium roridum, tri24, a gene absent in simple trichothecene producers, was identified as essential for macrocyclic ring formation. In T.
arundinaceum, tri14 was confirmed as necessary for wild-type levels of harzianum A (HA) production and shown to modulate the expression of other tri cluster genes and overall secondary metabolism.
Regarding biological activity, autochthonous HA-producing isolates of T.
arundinaceum were recovered from agricultural soils. These strains exhibited pronounced antifungal effects against key bean pathogens (Rhizoctonia solani and Sclerotinia sclerotiorum), enhanced seed germination and vegetative growth of common bean (Phaseolus vulgaris), and induced plant defense gene expression, including chitinases, without detrimental effects on development. In the biosynthesis studies, the loss of HA production in the Δtri22 mutant caused a strong reduction in antifungal activity against Rhizoctonia solani. In P. roridum, deletion of tri24 significantly reduced antifungal and phytotoxic activities, confirming the importance of the macrocyclic ring.
Biodegradation experiments demonstrated that aerobic soil bacterial communities primarily degraded DON via C-3 oxidation to form 3-keto-DON, although some consortia achieved complete mineralization. Cytotoxicity assays in HepG2 cells showed that DON depletion without detectable degradation metabolites eliminated toxicity, whereas conversion to 3-keto-DON did not. Community composition strongly influenced performance: reducing microbial diversity impaired degradation efficiency, supporting a synergistic degradation mechanism. Notably, the strain Devosia CECT 9973 degraded 93.5% of DON within seven days, producing the non-toxic metabolite 3-epi-DON.
Together, these findings provide robust evidence for the functional diversity of trichothecene biosynthetic genes and the ecological, phytobiological, and biotechnological implications of these compounds, providing new perspectives for their controlled use in sustainable agriculture and microbial biotechnology. Native soil bacterial systems were also explored as promising tools for mycotoxin bioremediation.
