Al observar un estanque de agua dulce, es posible que vea pequeñas plantas verdes con hojas ovaladas flotando en racimos que cubren la superficie del agua en estanques cubiertos de maleza. Esta lenteja de agua, o como a veces se la llama “lenteja de agua” por su alto contenido en proteínas, puede crecer tan rápidamente que duplica su población en tan solo uno o dos días. Pero lo que no se puede ver a simple vista en este estanque es la batalla evolutiva entre las plantas y los microbios que intentan invadirlas.
Las plantas dependen en gran medida de los microbios que las rodean. La comunidad de bacterias, virus, hongos y otros microbios que acompañan a una planta se llama microbioma.
Los microbiomas suelen ser específicos de un determinado tipo de planta en un lugar determinado. A menudo hay microbios beneficiosos que forman parte del microbioma de la planta. Pero al mismo tiempo, existen microbios patógenos de los que las plantas necesitan protegerse. Comprender cómo las plantas se protegen de los patógenos (o no lo hacen) podría ayudar a los científicos a aprender cómo manipular mejor los microbiomas para beneficiar una variedad de cultivos, incluidos los cultivos bioenergéticos.
Un equipo de investigadores, con el apoyo de la Oficina de Ciencias del Departamento de Energía de EE. UU., está estudiando cómo las bacterias interactúan con las hormonas vegetales e influyen en su crecimiento, escribe Shannon Bresher Shea en un comunicado del Departamento de Energía de EE. UU.
Una de las líneas de defensa de las plantas contra los microbios son sus estomas: pequeños poros en las hojas, tallos, flores y raíces de las plantas que se abren y cierran para absorber dióxido de carbono y liberar oxígeno y agua. Actúan como puerta de entrada a la ciudad. Al igual que una puerta, los estomas proporcionan una barrera física contra las bacterias invasoras. La planta tiene hormonas que regulan si las células protectoras de los estomas mantienen los estomas abiertos o cerrados. Sin embargo, algunas bacterias pueden piratear este sistema.
Otro actor clave en este movimiento evolutivo son las hormonas vegetales llamadas auxinas, una clase importante de hormonas que influyen en el crecimiento y desarrollo de las plantas. La auxina más común en la naturaleza se llama ácido indol-3 acético, abreviado como IAA.
En las plantas, el AIA influye en la longitud de las células, la respuesta de la planta a la dirección de la gravedad y la estructura de las raíces. Para protegerse contra los patógenos, las plantas pueden reducir o aumentar la exposición a la hormona. Pero como suele ocurrir en la evolución, algunas bacterias encontraron una brecha en esta defensa. Las bacterias que se encuentran asociadas con plantas también producen AIA y lo hacen de la misma manera que las plantas. Como parte de este proceso, algunas de estas bacterias han evolucionado para eludir el control de la IAA en las plantas. Producen suficiente AIA para afectar las vías químicas y el crecimiento de las plantas.
Las plantas cuyas vías de auxinas se ven afectadas por estas bacterias desarrollan raíces primarias más cortas que aquellas cuyas vías de auxinas no se ven afectadas. También les crecen más raíces que corren paralelas a la superficie del suelo y tienen más pelos radiculares (pequeñas células de la raíz que brotan de la capa superficial de la raíz).
Estas batallas evolutivas son más que un simple milagro ecológico. También son importantes para la productividad de los cultivos.
Aumentar la producción de una hormona específica del microbioma de una planta o crear un microbioma sintético ofrece una ruta para mejorar el crecimiento de los cultivos. Saber cómo los patógenos afectan el crecimiento de las raíces y la biomasa general puede permitir a los científicos prevenir estos problemas al cultivar estas plantas.
Para investigar esta conexión, investigadores de la Universidad de Rutgers, la Universidad de Tennessee y la Universidad de Carolina del Norte en Chapel Hill estudiaron la lenteja de agua. Los científicos tienen mucha información sobre la genética de esta planta, incluidas las diferencias en las secuencias de ADN entre diferentes poblaciones de lenteja de agua.
En un estudio anterior, el equipo tomó muestras del microbioma de la lenteja de agua en la naturaleza y descubrió que era similar a muchas plantas comunes. De las 47 cepas bacterianas que analizaron, casi el 80% producía compuestos similares al IAA (AIA). Con el apoyo de científicos del Laboratorio de Ciencias Moleculares Ambientales, una instalación de la Oficina de Ciencias del Departamento de Energía de EE. UU., el equipo inoculó plántulas de lenteja de agua con 21 de estas cepas.
Algunas de las plántulas tratadas eran normales «silvestres» en términos de crecimiento de raíces. Algunas plantas tenían otras cepas de bacterias que producían la auxina activa IAA. En estas plantas, las raíces de las plantas se volvieron mucho más cortas y con muchas más ramas. Asimismo, las plantas que carecían de un gen necesario para detectar la presencia de auxinas eran menos sensibles al IAA que las plantas de tipo salvaje. Estas plantas no respondieron a las bacterias productoras de IAA.
Sorprendentemente, de las 21 cepas bacterianas, sólo cuatro afectaron el crecimiento de las plantas de la forma esperada por los científicos. No es casualidad que hayan producido la mayor cantidad de IAA en tubos de ensayo. Parece que, aunque los demás pudieron producir algunos compuestos relacionados con el IAA, las cantidades no fueron suficientes para provocar una respuesta en la planta. Estas cuatro cepas parecían ser excepcionalmente buenas para superar las defensas de las plantas.
¿Pero estas bacterias fueron superadas por la protección debida a IAA o algún otro enfoque? Los científicos respondieron a esta pregunta estudiando plantas mutantes que carecían de un gen que regule las auxinas. Descubrieron que las bacterias no podían simplemente entrar en las células vegetales y colonizar las plantas mutantes. Aparentemente, estas bacterias han encontrado una manera de piratear el sistema de auxinas para que funcione a su favor.
La siguiente pregunta fue de dónde procedían las bacterias. Aunque los estomas de las plantas son un mecanismo de defensa, también son una debilidad. Utilizando tinciones especiales y microscopios, los investigadores encontraron una variedad de bacterias invasoras en los estomas de la lenteja de agua de tipo salvaje. Por el contrario, la mayoría de las bacterias de las plantas mutantes estaban en la superficie, donde no podían llegar a los estomas. Como un invasor que engaña a los guardias a las puertas de una ciudad amurallada, las bacterias exitosas utilizaron el sistema de auxinas para engañar a las células de guardia.
Rastrear sólo un pequeño fragmento de este tira y afloja evolutivo entre plantas y bacterias sugiere que las plantas probablemente tengan varios mecanismos de defensa contra las bacterias productoras de IAA. Si bien las hojas y los tallos de las plantas se pueden ver fácilmente en la superficie, todo un complejo sistema de comportamiento cooperativo y competitivo permanece oculto a la vista. Al iluminar estas relaciones, los científicos están sentando las bases para cultivar plantas de formas más sostenibles.
Fuente: Departamento de Energía de EE. UU. Autor: Shannon Bresher Shea.
La foto del título es una reconstrucción en 3D de una imagen microscópica que muestra bacterias acumuladas en el tejido de la raíz. Las imágenes muestran una planta sin bacterias (A), una planta con bacterias que no producen AIA (B) y cuatro plantas con bacterias que producen AIA (CF). Autor: Kenneth Acosta, Universidad Rutgers y William Crisler, EMSL/PNNL.
