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Desbloqueando el poder del microbioma que evolucionó junto con las plantas y los animales

Desbloqueando el poder del microbioma
Bacterias de diferente fluorescencia en la superficie de una hoja. Crédito: Maximilian Mittelviefhaus / ETH Zurich

No solo los animales y los seres humanos albergan una comunidad compleja de microorganismos, las plantas también lo hacen. Investigadores de ETH Zurich han publicado recientemente dos nuevos estudios que arrojan luz sobre aspectos fundamentales de estas relaciones cercanas, ya menudo pasadas por alto.


por Ori Schipper, ETH Zurich


Cientos de diferentes especies de bacterias viven dentro y sobre las hojas y raíces de las plantas. Un equipo de investigación dirigido por Julia Vorholt del Instituto de Microbiología de ETH Zurich, junto con colegas en Alemania, inventariaron y categorizaron por primera vez estas bacterias hace seis años. En ese entonces, aislaron 224 cepas de los diversos grupos bacterianos que viven en las hojas del berro (Arabidopsis thaliana). Estos pueden ensamblarse en microbiomas vegetales simplificados o «sintéticos». Los investigadores sentaron así las bases de sus dos nuevos estudios, que acaban de publicarse en las revistas Nature Plants y Nature Microbiology .

Control de volumen de la respuesta de la planta

En el primer estudio, los investigadores investigaron cómo las plantas responden a su colonización por microorganismos. El equipo de Vorholt goteó cultivos bacterianos sobre las hojas de plantas que, hasta ese momento, se habían cultivado en condiciones estériles. Como era de esperar, diferentes tipos de bacterias desencadenaron una variedad de respuestas en las plantas. Por ejemplo, la exposición a ciertos géneros de Gammaproteobacteria provocó que las plantas de thale berro activaran un total de más de 3.000 genes diferentes , mientras que los de Alphaproteobacteria desencadenaron una respuesta en solo 88 genes en promedio.

«A pesar de esta amplia gama de respuestas a las diferentes bacterias del microbioma, nos sorprendió identificar una respuesta central: las plantas prácticamente siempre activan un conjunto básico de 24 genes», dice Vorholt. Pero eso no es todo lo que encontró el equipo: actuando como una especie de control de volumen para la respuesta de la planta, la intensidad de activación de estos 24 genes proporciona información sobre qué tan extensamente las bacterias han colonizado la planta. Este control de volumen también predice cuántos genes adicionales activará la planta a medida que se adapta a los recién llegados.

Desbloqueando el poder del microbioma
Plantas con defensas inmunes intactas (l. Hilera superior) y aquellas que son inmunodeficientes (r. Hilera superior) o cuya respuesta general no propia (hilera inferior) está debilitada. Crédito: Maier et al, Nat Plants 2021 / ETH Zurich

Las plantas con defectos en algunos de estos 24 genes son más susceptibles a las bacterias dañinas, ha demostrado el equipo de Vorholt. Y dado que otros estudios habían notado que algunos genes en el conjunto básico también están involucrados en las respuestas de las plantas al choque osmótico o la infestación por hongos, los investigadores de ETH infieren que los 24 genes constituyen una respuesta defensiva general. «Parece un entrenamiento inmunológico, aunque las bacterias que usamos no son patógenos, sino socios en una comunidad natural», dice Vorholt.

Comunidad bacteriana fuera de control

En el segundo estudio, Vorholt y su equipo exploraron cómo cambian las comunidades bacterianas cuando las mutaciones hacen que una planta sea deficiente en uno o varios genes. El equipo esperaba ver que los defectos genéticos en los receptores, que las plantas usan para detectar la presencia de microbios, juegan un papel importante en la historia.

Lo que no esperaban era que otro defecto genético tuviera el mayor efecto: si las plantas eran deficientes en una determinada enzima, una NADPH oxidasa, la comunidad bacteriana se volvía loca. Las plantas utilizan esta enzima para producir radicales de oxígeno altamente reactivos, que tienen un efecto antimicrobiano. En ausencia de esta NADPH oxidasa, los microbios que en circunstancias normales vivían pacíficamente en las hojas se convirtieron en lo que se conoce como patógenos oportunistas.

¿Se encuentra la NADPH oxidasa entre el conjunto básico de 24 genes responsables de la respuesta defensiva general? «No, eso habría sido demasiado bueno para ser verdad», dice Sebastian Pfeilmeier, miembro del grupo de investigación de Vorholt y autor principal del estudio. Esto se debe a que el gen responsable de la NADPH oxidasa se activa antes de entrar en contacto con los microbios y a que la enzima se activa mediante reacciones químicas gobernadas por la fosforilación.

Para Vorholt, los dos estudios muestran que los microbiomas sintéticos son un enfoque prometedor para investigar las complejas interacciones dentro de diferentes comunidades. «Dado que podemos controlar y diseñar con precisión las comunidades, podemos hacer mucho más que solo observar lo que sucede. Además de simplemente determinar la causa y el efecto, podemos comprenderlos a nivel molecular», dice Vorholt. Un microbioma ideal protege a las plantas de enfermedades al mismo tiempo que las hace más resistentes a la sequía y las condiciones saladas. Es por eso que la industria agrícola se encuentra entre los interesados ​​en los resultados del equipo. Deberían ayudar a los agricultores a aprovechar el poder del microbioma en el futuro.



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