La ciencia sabe de los beneficios del mutualismo entre microorganismos y plantas, sin embargo ahora se trata de entender qué papel juega la genética vegetal en propiciar las condiciones para conformar comunidades bacterianas beneficiosas para mejorar el rinde.
¿Los genes de una planta tienen una influencia activa a la hora de atraer microorganismos para formar comunidadades en sus raíces? ¿El camino del mejoramiento genético tendrá también que trabajar en un futuro cercano con este tipo de indicadores en el trabajo de mejoramiento de las variedades?
Las plantas suelen desarrollar comunidades con microorganismos en sus raíces, lo que influye en la salud y el desarrollo de las plantas. Aunque el reclutamiento de estos microbios está dictado por varios factores, no está claro si la variación genética en las plantas hospedantes influye.
En un nuevo estudio, investigadores de la Universidad de Illinois Urbana-Champaign exploraron esta cuestión y su trabajo puede ayudar a mejorar la productividad agrícola "Anteriormente, los investigadores sólo habían analizado qué tipo de microbios están presentes en asociación con las plantas, pero no qué podría estar impulsando la formación de estas comunidades y cómo podríamos controlar estos impulsores mediante el fitomejoramiento", dijo Angela Kent (CABBI), profesor de Recursos Naturales y Ciencias Ambientales de la Universidad de Illinois Urbana-Champaign.
Las simbiosis
Los microbios forman comunidades complejas llamadas microbiomas dentro y alrededor de las raíces de las plantas.
Las plantas hospedantes pueden determinar qué microbios son invitados a sus raíces (conocidos como endófitos) mediante señales químicas.
También pueden alterar las propiedades del suelo alrededor de las raíces para influir en qué microbios pueden crecer alrededor de la superficie de las raíces o rizosfera. Sin embargo, para poder cultivar plantas en función de los microbios con los que se asocian, los investigadores primero deben comprender hasta qué punto los genomas de las plantas pueden influir en el microbioma de la rizosfera.
Estudiando al Miscanthus
Para responder a esta pregunta, los investigadores estudiaron dos especies nativas de pasto plateado: Miscanthus sinensis y Miscanthus floridulus.
Estas plantas se consideran cultivos bioenergéticos potenciales porque requieren menores concentraciones de nutrientes para lograr un mayor crecimiento en comparación con los cultivos tradicionales, y en nuestra región se los utiliza mucho como plantas ornamentales.
El estudio se realizó en 16 sitios en todo Taiwán e incluyó una variedad de condiciones ambientales, como aguas termales, picos montañosos y valles, para representar todos los extremos ambientales posibles.
Los investigadores recolectaron 236 muestras de suelo de la rizosfera de plantas de Miscanthus seleccionadas al azar y también aislaron el microbioma dentro de las raíces. “Aunque la escala de este estudio no tenía precedentes, teníamos en cuenta las normas de cuarentena y protección vegetal. Procesamos las muestras en Taiwán para extraer la comunidad microbiana endófita y recolectar el microbioma de la rizosfera”, dijo Kent.
Proceso
Los investigadores utilizaron dos tipos de técnicas de secuenciación de ADN en su estudio.
Los microbiomas dentro y alrededor de las raíces se identificaron utilizando la secuencia de ADN de genes de ARNr bacterianos y fúngicos, centrándose en la parte del genoma que es única para cada especie.
La variación en el genoma de la planta se midió utilizando microsatélites, que son pequeños fragmentos de ADN repetido que pueden distinguir incluso poblaciones de plantas estrechamente relacionadas.
“Las muestras se recolectaron hace 15 años, cuando el proyecto era demasiado grande para las capacidades de secuenciación en ese momento. A medida que el costo de la secuenciación disminuyó, nos permitió revisar los datos y observar más de cerca el microbioma. Durante el procesamiento de muestras, también extrajimos inadvertidamente ADN de plantas y pudimos usarlo como recurso para genotipar nuestras poblaciones de Miscanthus”, dijo Kent. "Examinamos las secuencias del genoma del huésped para obtener información sobre cómo pueden afectar al microbioma", dijo Niuniu Ji, investigador postdoctoral en el laboratorio de Kent. "Descubrí que las plantas afectan el microbioma central, lo cual fue emocionante".
Aunque los microbiomas de las plantas son muy diversos, el microbioma central es un conjunto de microbios que se encuentran en la mayoría de las muestras de un conjunto particular de plantas. Se considera que estos microbios desempeñan un papel importante en la organización de qué otros microbios están asociados con la planta y ayudan con el crecimiento del huésped.
Microbioma central
El microbioma central que los investigadores encontraron en Miscanthus incluía bacterias fijadoras de nitrógeno que se han encontrado en el arroz y la cebada en otros estudios. Todos estos microbios ayudan a las plantas a adquirir nitrógeno, que es un nutriente vital para el crecimiento de las plantas.
El reclutamiento de microbios fijadores de nitrógeno puede ayudar a las plantas a adaptarse a diferentes entornos, pero lo más importante es que esta capacidad contribuye a la sostenibilidad de esta hierba como posible cultivo bioenergético. ¿Y la genética? Por otro lado, la influencia de la variación genética entre las plantas tuvo un menor efecto sobre el microbioma de la rizosfera, que se vio más fuertemente afectado por el ambiente del suelo. Aun así, las plantas pusieron mayor énfasis en reclutar hongos en comparación con otros microbios.
Desafío
Los investigadores están interesados en analizar qué genes influyen en el microbioma. “Los microsatélites no tienen función biológica y no son representativos de todo el genoma. Sería bueno si pudiéramos secuenciar todo el genoma de Miscanthus y descubrir cómo los genes afectan la fijación de nitrógeno”, dijo Ji.
“El mejoramiento de cultivos se basa en el rendimiento. Sin embargo, debemos mirar más de cerca y considerar cómo los microbios pueden contribuir a la sostenibilidad de los cultivos”, afirmó Kent.
“El atractivo de trabajar con plantas silvestres es que existe una enorme variación genética que observar. Podemos identificar qué variantes son buenas para reclutar microbios fijadores de nitrógeno porque podemos usar menos fertilizantes en estos cultivos. Es una posibilidad interesante a medida que nos embarcamos en la adaptación de estas plantas con fines bioenergéticos”.
El estudio
"La variación genética del huésped impulsa la diferenciación en el papel ecológico del microbioma nativo asociado a la raíz de Miscanthus" se publicó en en la revista especializada Microbiome y allí se sostiene que "los resultados de este estudio tienen implicaciones para el futuro manejo de cultivos bioenergéticos al proporcionar datos de referencia para informar la investigación traslacional para aprovechar el microbioma de la planta para aumentar de manera sostenible la productividad agrícola".