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Alerta de antracnosis: cómo las bacterias preparan el quinto cultivo mundial de granos contra hongos mortales


La antracnosis del sorgo bicolor devasta los cultivos de cereales resistentes a la sequía y al calor en todo el mundo. El cebado con rizobacterias puede aumentar la resistencia y la tolerancia de las plantas contra una amplia gama de condiciones adversas, como los ataques microbianos.


por la Universidad de Johannesburgo


Investigadores de la Universidad de Johannesburgo descifraron cómo el cebado mejora el «sistema de seguridad» de las plantas para una defensa mucho más fuerte y más rápida.

Usando algoritmos de metabolómica y aprendizaje automático, identificaron cambios en la respuesta química de la planta de sorgo al ataque de hongos.

El enfoque de bajo costo puede usarse para contrarrestar otros patógenos en cultivos alimenticios económicamente importantes.

Hongo modus operandi

El hongo Colletotrichum sublineolum se acerca sigilosamente a su huésped de muchas maneras. Puede haber estado dando vueltas por años en el suelo, en la materia vegetal en descomposición o en el equipo. Le gusta saltar en las primeras lluvias en condiciones húmedas y cálidas.

Entra en los estomas o «salidas de aire» de la planta y no destruye las cosas al principio. Más bien, se multiplica dentro de la planta como primera prioridad. En esta etapa, se alimenta de la planta sin causar daños visibles para el agricultor.

Pero una vez que el hongo realmente ha invadido a su huésped, cambia de parásito no deseado a destructor mayorista. Como si se hubiera accionado un interruptor, comienza a demoler los soportes estructurales y las células de la planta. De esta manera, el hongo alimenta su apetito voraz y se prepara para procrear.

En esta etapa, la enfermedad devastadora se hace visible en el exterior de la planta. La antracnosis del sorgo, o enfermedad marchita, causa manchas en las hojas y tallos. Las manchas se expanden en lesiones que pueden cubrir completamente las hojas.


La planta invadida no tiene ninguna posibilidad.


A menos que las bacterias amigables se hayan asociado con la planta de antemano. Una interacción mutua entre plantas y bacterias puede activar el «sistema de seguridad» de una planta, que puede defenderse del hongo, si es sensible, rápido y lo suficientemente fuerte.

La antracnosis del sorgo es causada por el hongo Colletotrichum sublineolum , u hongo CS, para abreviar. El hongo es un depredador exigente, como lo son la mayoría de los hongos. Se especializa en atacar plantas de sorgo de cualquier edad. A veces favorece a las plantas más cerca de la cosecha. Cuando ataca, puede destruir campos enteros del grano, con pérdidas de rendimiento de hasta 70% o más.

Lidiando con el clima

«En la era del cambio climático, esperamos períodos más largos de sequía y calor excesivo. Las plantas de cultivo también tendrán que producir durante las inundaciones intermitentes y más severas. Es hora de adaptar nuestras plantas de cultivo existentes a las condiciones que se nos acercan», dice Prof Ian Dubery. Es el Director del Centro de Investigación de Metabolómica de las Plantas de la Universidad de Johannesburgo en Sudáfrica.

Quinto grano más grande a nivel mundial

La especie de sorgo mayormente plantada para la producción comercial o de subsistencia es Sorghum bicolor . Es indígena de África, y se usa para alimentos, forraje y biocombustibles en muchos países.

Por volumen anual, es la quinta cosecha de granos más grande del mundo. El sorgo es clave para la seguridad alimentaria de los agricultores de subsistencia que producen el grano.

El cultivo se conoce como gran mijo y maíz de Guinea en África occidental, dura en Sudán, mtama en África oriental, jowar en India y gaoliang en China; mientras que generalmente se conoce como milo o milo-maíz en los Estados Unidos, según la FAO. Otros nombres incluyen feterita, jwari, mustu, cholam, jola, dari y solam.

Ciertas variedades son altamente resistentes a la sequía y al calor.

Defensas costosas

Algunas variedades de sorgo bicolor son más resistentes al hongo CS que otras. Sin embargo, las variedades más productivas tienden a tener menos resistencia al hongo CS. Además, activar y ejercer esa resistencia tiene un precio, tanto para la planta como para el agricultor.

Cuanto más duro tenga que trabajar la planta de sorgo para reunir sus defensas, menos semillas producirá. Puede ser capaz de defenderse para tener hojas y tallos saludables, pero puede terminar produciendo un rendimiento de cultivo mucho menor. Incluso puede morir en el proceso.

Además, rociar fungicidas es costoso y puede afectar el medio ambiente. Por lo tanto, sería preferible una forma más sostenible de proteger el sorgo.

Preparando para la defensa

Cebar las plantas de sorgo con bacterias amigables alrededor de sus raíces, puede hacer que sus hojas sean más resistentes a los ataques del hongo CS. Los biofertilizantes que contienen estas rizobacterias se utilizan comercialmente para el sorgo y otros cultivos.

En la industria, se denominan «rizobacterias promotoras del crecimiento de las plantas» o PGPR. Las semillas se pueden recubrir con biofertilizantes, y se puede rociar tierra o plantas con él.

Pero se desconoce cómo y por qué el cebado funciona para vencer a los patógenos como el hongo CS en los cultivos de cereales.

La metabolómica de la planta decodifica un sistema de seguridad más resistente


La antracnosis del sorgo devasta los cultivos de cereales resistentes a la sequía y al calor en todo el mundo. El cebado con rizobacterias puede aumentar la resistencia de la planta contra una variedad de ataques microbianos. El profesor Ian Dubery y el Dr. Fidele Tugizimana del Centro de Metabolómica de las Plantas de la Universidad de Johannesburgo decodificaron cómo el cebado mejora el ‘sistema de seguridad’ de las plantas para una defensa mucho más fuerte y más rápida. Usando algoritmos de metabolómica y aprendizaje automático, identificaron cambios en la respuesta química de la planta de sorgo al ataque de hongos. El enfoque de bajo costo puede contrarrestar otros patógenos en cultivos alimenticios económicamente importantes. Crédito: Therese van Wyk, Universidad de Johannesburgo.


«Las plantas de sorgo y las rizobacterias con las que están preparadas se unen para poner el ‘sistema de seguridad’ de la planta en alerta más alta. También actúa más rápido y con una respuesta más fuerte contra el hongo atacante», dice Dubery.

Sin ataques de hongos, las bacterias que viven en la rizosfera (el área alrededor de las raíces de la planta) ayudan a la planta de muchas maneras. Como ejemplo, hacen que sea más fácil para la planta digerir nutrientes como los fosfatos; y para fijar nitrógeno al suelo para hacerlo más fértil.

A su vez, la planta ayuda a las bacterias liberando los químicos que necesitan.

Por la paz y la guerra

Los investigadores plantaron una variedad de sorgo en bandejas en su laboratorio. Después de que las plantas alcanzaron una altura de 30 cm, aplicaron las rizobacterias en las raíces para preparar las plantas. Estas bacterias viven en el suelo cerca de las raíces de las plantas, lo que se denomina rizosfera. La planta fabrica productos químicos y los envía a la rizosfera para que la bacteria los use.

Lo que los investigadores querían descubrir es cómo funcionan las «comunicaciones químicas» dentro y alrededor de una planta sana. Analizaron los químicos sintetizados por la planta en sus hojas, tallos y raíces, así como el suelo inoculado con bacterias en la rizosfera.

A partir de esto, podrían construir una imagen de cómo las raíces de las plantas y las bacterias «hablan» entre sí. También podrían desentrañar cómo las raíces, tallos y hojas «hablan» entre sí para apoyar la relación beneficiosa con la bacteria.

Esto les dio la «firma» metabólica de una planta sana preparada con rizobacterias.

La otra mitad de las plantas infectaron con el hongo CS para ver cuánto afectaría a esa variedad de sorgo. Nuevamente, analizaron los «cócteles» metabólicos en las hojas, tallos, raíces y suelo inoculado con bacterias. Esto les dio la firma metabolómica de una planta infectada e imprimada.

Análisis de big data

Repitieron todo el proceso para la misma variedad de sorgo, con una excepción. No cebaron las raíces con bacterias. Ahora podían ver cuánto más débil era la «respuesta de seguridad» sin cebar.

Todos estos análisis bioquímicos generaron una gran cantidad de datos complejos, más de 200 gigabytes en volumen. Para dar sentido a todo esto, emplearon análisis de big data, que es un proceso complejo de examen y extracción de conjuntos de datos grandes y complejos.

En el camino, se utilizaron técnicas como el aprendizaje automático, la quimiometría, los análisis estadísticos multivariados y los métodos matemáticos. De esta forma, podrían extraer la información, de modo que se pudieran extraer conclusiones e hipótesis más precisas y formularlas con confianza.

Cambios en la defensa química.

Ahora podían ver qué nuevos «cócteles» fabricaban las plantas de sorgo para defenderse. Y cómo estos cócteles eran más diversos y concentrados, con la ayuda de las bacterias cebadoras, que cuando las plantas estaban sanas.

Los investigadores también pudieron ver qué nuevos «ingredientes de cóctel» utilizaron las plantas preparadas cuando fueron atacadas por el hongo CS.

Entre uno y tres días después de la infección con el hongo, las plantas cebadas produjeron cantidades de hormonas vegetales varias veces mayores que las plantas no cebadas, en particular el ácido hidroxjasmónico, glucósido y zeatina.

Las plantas preparadas también sintetizaron cantidades significativas de los aminoácidos tirosina e hidroxitriptófano, de los cuales las plantas no preparadas produjeron pequeñas cantidades. También produjeron más de tres veces más triptófano de lo habitual.

Al mismo tiempo, las plantas preparadas aumentaron la producción de lípidos, especialmente la fitosfingosina. Las plantas no preparadas produjeron pequeñas fracciones de los lípidos en comparación.

Las plantas preparadas reducen radicalmente la producción de (iso) flavonoides, especialmente en apigenina y luteolina.

Decodificando el sistema de seguridad

«Descubrimos que las plantas de sorgo cebadas tienen sistemas de seguridad de plantas más sensibles. Encienden estos sistemas antes de lo que lo harían sin cebar. Las plantas cebadas también respondieron mejor al ataque de hongos. Tenían tasas de infección mucho más bajas y un menor desarrollo de síntomas en comparación con los no plantas preparadas «, dice Tugizimana.

Incluso a los nueve días después de la infección con el hongo CS, pocas plantas de sorgo preparadas mostraron síntomas. Los que tenían síntomas tenían pocas hojas afectadas. Las lesiones podrían describirse como una respuesta hipersensible localizada. Agrega que ninguna de las lesiones se extiende por toda la superficie de la hoja.


Descubrieron cómo la planta fue capaz de defenderse, utilizando análisis de metabolómica.


«Descubrimos cómo la interacción de las bacterias beneficiosas con las raíces de la planta de sorgo modifica la capacidad de la planta para defenderse. La planta de sorgo preparada cambia la forma en que distribuye energía y redirige sus rutas metabólicas más hacia la defensa, en lugar de crecer o producir semillas. De esta forma, cambia la composición de sus productos químicos protectores para resistir el hongo, así es como comienza a hacer nuevos ‘cócteles’ para mejorar sus defensas químicas.

«La planta de sorgo preparada es más sensible al ataque de hongos, reacciona más rápido y con mayor intensidad. Por lo tanto, podemos decir que las bacterias beneficiosas para las plantas apoyan a la planta para lanzar una defensa más eficiente», dice Tugizimana.

Enfoque sostenible de bajo costo para la agricultura

Los resultados allanan el camino para estudios similares sobre la lucha contra los patógenos en otras plantas de cultivo económicamente importantes , dice Dubery.

«El cebado con rizobacterias puede hacer que una planta susceptible sea más tolerante y una planta tolerante más resistente a las enfermedades. Esto significa que el cebado o preacondicionamiento puede mejorar el rendimiento de los cultivos y reducir el uso de pesticidas. Es una opción prometedora, sostenible y de bajo costo. para obtener una resistencia más efectiva en las condiciones agrícolas del mundo real, donde muchos patógenos amenazan los cultivos alimentarios «, agrega.


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