Press Release: Microneedles to Help Overcome a Major Citrus Crop Disease
Sona Popat
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Across the world, citrus trees infected with Huanglongbing disease are producing fruit that are lopsided, bitter, hard, and green when ripe, instead of juicy and fresh. The citrus industry in Florida has collapsed due to this disease, going from having a turnover of $9 billion to merely $3.28 billion as of 2018. And more plants are becoming infected every day.
Huanglongbing disease on two mandarins. Source: USDA APHIS, https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Huanglongbing.jpg
Huanglongbing disease, also known as citrus greening disease, is caused by Candidatus Liberibacter asiaticus (C. Las) bacteria. This bacteria is transmitted by psyllid vectors, small insects which feed on the sap of citrus trees. When they feed, the C. Las in their salivary glands are injected into the phloem of the plant. The phloem is part of the plant vasculature and functions in transporting important molecules, such as sugars and signalling molecules, throughout the plant. Importantly, it is protected behind many layers of cells so foreign substances cannot reach it and be spread throughout the plant. The waxy cuticle on the surface of the plant is the main barrier that protects against damage and foreign substances. Since C. Las are only found in the phloem, treatments or therapies to combat this infection must cross these layers and efficiently reach the phloem.
Previous strategies considered to combat Huanglongbing disease include broad-spectrum antibiotics. Specific antibiotics against C. Las have not yet been developed because C. Las cannot be cultured or grown in laboratory conditions, so researching this bacteria and finding ways to specifically target it is a difficult and lengthy process. Regardless, antibiotics are seldom used due to concerns about the bacteria developing resistance to the antibiotics, environmental effects, and the treatment not effectively reaching the phloem. Essentially, not being able to reach the C. Las bacteria to kill them. Other methods include vector control: this means targeting the psyllids which spread the disease in the aims of reducing new infections. An example of vector control is the use of insecticides to kill psyllids or prevent them from feeding on the citrus trees, though this also has concerns due to the insecticides leaching into aquatic environments.
There is current interest in providing citrus plants with genetically-engineered viruses that contain spinach genes encoding defensins, molecules that boost the plant “immune system” to help them combat disease. This is a useful method because the citrus plants are not genetically engineered and the viruses used do not cause disease, instead allowing the trees to boost their natural defences against diseases, including Huanglongbing disease. However, this method faces the same problem of not being able to reach the phloem efficiently.
In new research published in the Journal of Young Investigators, students at Oviedo High School and the University of Central Florida aimed to overcome this problem by developing a 3D-printed microneedle array applicator system which penetrates plant tissue, allowing administered therapeutics to more efficiently reach the phloem. Importantly, the microneedles are able to pierce through the waxy cuticle, the main barrier of entry to many therapeutics that need to access inner parts of the plant.
The authors tested their new method by injecting a test therapeutic, a compound containing cadmium, into the citrus leaves. Cadmium is not naturally present in plant leaves, so any cadmium measured in the phloem would be due to the treatment applied. Using X-ray fluorescent spectroscopy, a 45 percent increase in cadmium concentration was measured in citrus plants treated with the microneedle system in comparison to control plants, which were treated with the same therapeutic. This is a significant increase, showing that the microneedle applicator system is effective at allowing therapeutic delivery to the phloem. This has huge potential to aid the treatment of Huanglongbing disease and to improve the health of citrus crops.
Beyond treatment of the Huanglongbing disease, this technique could be used to deliver a range of therapeutics to treat different diseases; molecules such as gene therapeutics, antibiotics, or other useful compounds could more efficiently reach the plant vasculature and be spread through the plant using this method, potentially increasing the efficacy of treatment. The fact that the microneedle array system is 3D-printed also means it is more favourable for mass-production and customisation based on the intended use. The authors hope that, with further research development, this system can be adapted to more efficiently deliver therapeutics with higher precision concentrations to help minimise the spread of Huanglongbing disease—and, in future, other plant diseases.
References
- Bogran, C. E., Villanueva, R. T., Setamou, B. M., Identification and Management of Asian Citrus Psyllid and Citrus Greening Disease in Texas Nurseries, AgriLife Extension, Available at: https://agrilifeextension.tamu.edu/library/landscaping/identification-and-management-of-asian-citrus-psyllid-and-citrus-greening-disease-in-texas-nurseries/ [Accessed 30 March 2021].
- Grafton-Cardwell, E., Huanglongbing (HLB or Citrus Greening), UC Riverside Center for Invasive Species Research, Available at: https://cisr.ucr.edu/invasive-species/huanglongbing-hlb-or-citrus-greening [Accessed 30 March 2021).
- Ana, R. S., Spinach genes may stop a deadly citrus disease, AgriLife Today, March 2012, Available at: https://agrilifetoday.tamu.edu/2012/03/26/transgenic-citrus-trees/ [Accessed 30 March 2021]
Comunicado de prensa: Microagujas para tratar la enfermedad más común de los cultivos de cítricos
SONA POPAT
LEIZA LEIVA
Los árboles de cítricos infectados con la enfermedad Huanglongbing no producen frutos jugosos y frescos sino que, al madurar, son asimétricos y muy ácidos, y tienen cáscara gruesa y verde. Esta enfermedad provocó un colapso en la industria citrícola de Florida, que pasó de facturar más de 9 mil millones de dólares a solo 3.28 mil millones en el año 2018. Incluso el número de plantas infectadas sigue creciendo cada día.
Dos mandarinas infectadas con Huanglongbing. Imagen cortesía del Servicio de Inspección Sanitaria de Plantas y Animales (Departamento de Agricultura de Estados Unidos).
La enfermedad de Huanglongbing, también conocida como enverdecimiento de los cítricos, es causada por la bacteria Candidatus Liberibacter asiaticus (C. Las). Esta bacteria se propaga a través de los psílidos vectores, pequeños insectos cuyo alimento es la savia de los árboles cítricos. Al alimentarse, la bacteria que se encuentra en sus glándulas salivales se introduce en el floema de la planta. El floema forma parte de la vasculatura de la planta y funciona como transporte de las moléculas más importantes, como los azúcares y las moléculas señalizadoras. Un dato importante a destacar es que está protegido por muchas capas de células, por lo que las sustancias del exterior no pueden acceder a él y esparcirse a través de la planta. La cutícula cerosa de la planta es la barrera principal y la protege de los daños y de la entrada de sustancias extrañas. Debido a que la bacteria C. Las solo se encuentra en el floema, los tratamientos para combatir esta enfermedad deben ser capaces de atravesar las capas de la cutícula y llegar de manera eficiente al floema.
Algunas estrategias que han sido utilizadas para curar la enfermedad de Huanglongbing incluyen antibióticos de amplio espectro. Aún no se han creado antibióticos específicos porque la bacteria no se puede cultivar en un laboratorio. Por eso, las investigaciones y la búsqueda de estrategias para atacar la bacteria constituyen un proceso arduo y extenso. De todas maneras, los antibióticos no son muy utilizados porque existe la preocupación de que las bacterias puedan desarrollar resistencia, que haya efectos ambientales y que el tratamiento no pueda acceder al floema. Básicamente, que no pueda acceder a la bacteria para combatirla. Otros métodos se enfocan en controlar a los vectores. Es decir, atacar a los psílidos que propagan la enfermedad para evitar nuevas infecciones. Un ejemplo podría ser el uso de insecticidas para matar a los psílidos o evitar que se alimenten de los árboles cítricos. Pero este método también conlleva algunas preocupaciones porque los insecticidas se filtran en los ambientes acuáticos.
Actualmente, es muy común enriquecer a las plantas cítricas con virus genéticamente modificados. Estos virus contienen genes de espinaca que codifican defensinas, moléculas que estimulan el «sistema inmunitario» de las plantas para ayudarlas a combatir la enfermedad. Este es un método muy útil porque las plantas no están modificadas genéticamente y los virus no causan enfermedades, sino que les permiten a los árboles estimular las defensas naturales contra enfermedades como la Huanglongbing. Sin embargo, los virus tampoco pueden acceder al floema de manera eficiente.
En una nueva investigación publicada en la revista académica Journal of Young Investigators, estudiantes de Oviedo High School y de la Universidad de Florida Central se propusieron solucionar este problema mediante la impresión en 3D de un sistema aplicador de microagujas que penetran en el tejido de la planta y permiten que los medicamentos suministrados lleguen al floema. Es importante destacar que las microagujas pueden perforar la cutícula cerosa, que es la principal barrera de entrada para los medicamentos que necesitan acceder al interior de la planta.
Los investigadores inyectaron un medicamento de prueba, compuesto por cadmio, en las hojas de una planta cítrica, para probar este nuevo método. Debido a que las plantas no contienen cadmio naturalmente, cualquier cantidad de este elemento que se encontrara en el floema habría sido suministrado durante el tratamiento. Utilizando espectroscopía de fluorescencia de rayos X, se detectó un incremento de un 45% en la concentración de cadmio en las plantas cítricas que habían sido tratadas con el sistema de microagujas, en comparación con las plantas de control a las que se les había administrado el mismo medicamento. Este aumento es notable y demuestra que el sistema aplicador de microagujas es efectivo para lograr que los medicamentos lleguen al floema. Por ende, hay muchas probabilidades de que este método pueda ser de ayuda en el tratamiento de la enfermedad de Huanglongbing y mejorar la salud de los cultivos de cítricos.
Pero además de ser útil para la enfermedad de Huanglongbing, esta técnica también podría ser utilizada con otros tratamientos para otras enfermedades. Por ejemplo, con moléculas como los tratamientos genéticos, antibióticos u otros compuestos útiles que podrían llegar a la vasculatura de la planta, esparcirse en su interior y, así, aumentar la eficacia del tratamiento. El hecho de que el sistema aplicador de microagujas esté impreso en 3D, además, es una ventaja para que pueda ser fabricado en masa y que se pueda modificar según su uso posterior. Los autores esperan que, a medida que las investigaciones avancen, este sistema pueda ser adaptado a tratamientos más eficientes que utilicen concentraciones de alta precisión para ayudar a disminuir la propagación de la enfermedad de Huanglongbing y, en el futuro, de otras enfermedades.
Referencias
Bogran, C. E., Villanueva, R. T., Setamou, B. M., Identification and Management of Asian Citrus Psyllid and Citrus Greening Disease in Texas Nurseries, AgriLife Extension, Available at: https://agrilifeextension.tamu.edu/library/landscaping/identification-and-management-of-asian-citrus-psyllid-and-citrus-greening-disease-in-texas-nurseries/ [Accessed 30 March 2021].
Grafton-Cardwell, E., Huanglongbing (HLB or Citrus Greening), UC Riverside Center for Invasive Species Research, Available at: https://cisr.ucr.edu/invasive-species/huanglongbing-hlb-or-citrus-greening [Accessed 30 March 2021).
Ana, R. S., Spinach genes may stop a deadly citrus disease, AgriLife Today, March 2012, Available at: https://agrilifetoday.tamu.edu/2012/03/26/transgenic-citrus-trees/ [Accessed 30 March 2021]