En un nuevo estudio, los científicos utilizaron casi todas las herramientas a su disposición (genómica, transcriptómica, experimentos de invernadero y métodos estadísticos avanzados) para obtener nuevos conocimientos sobre las complejas interacciones químicas que tienen lugar en los nódulos de las raíces subterráneas, donde las legumbres como la soja intercambian nutrientes vitales con microbios del suelo llamados rizobios.
por la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign
Publicado en las Actas de la Academia Nacional de Ciencias, su estudio identificó grupos de genes rizóbicos que parecen moverse rápidamente a través de las poblaciones bacterianas e impulsar una mayor biomasa vegetal en las plantas hospedantes . Comprender la interacción entre los genomas del hospedante y las bacterias contribuirá a optimizar el crecimiento vegetal mediante la mejora de la rizosfera, afirmaron los investigadores.
«Al igual que nosotros, las plantas están llenas de microbios, y algunas forman simbiosis estrechamente coevolucionadas donde gran parte de la historia evolutiva ha dado forma a una interacción muy íntima», dijo Katy Heath, profesora de biología vegetal en la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign, quien dirigió el estudio junto con la profesora de biología vegetal de Illinois, Amy Marshall-Colón.
«Las legumbres como la soja, los guisantes o los cacahuetes desarrollan estas relaciones especiales con los rizobios».
Las bacterias rizóbicas fijan el nitrógeno atmosférico convirtiéndolo en una forma que las plantas pueden utilizar, explicó Heath. A cambio, las leguminosas aportan a las rizóbicas azúcares ricos en carbono, que las plantas producen durante la fotosíntesis.
En lugar de explorar el papel de uno o dos genes a la vez, Heath y sus colegas querían obtener una idea más global de la variación en estos intercambios.
Recurrieron a un sistema modelo para estudiar dichas interacciones, combinando la leguminosa Medicago truncatula, un pariente cercano de la alfalfa que se parece al trébol, con la bacteria rizobiana Sinorhizobium meliloti.
En un experimento de invernadero, el equipo inoculó cada planta de M. truncatula con una de 20 cepas de rhizobium. Las cepas de S. meliloti difieren genéticamente entre sí, pero pertenecen a la misma especie. Algunas cepas resultaron consistentemente en un mayor crecimiento de la planta, afirmó Heath. Una vez que las plantas y los microbios formaron nódulos radiculares , el lugar de intercambio, los investigadores los extrajeron y los congelaron para su posterior análisis.
El equipo analizó el transcriptoma de cada nódulo. Los transcriptomas contienen todo el ARN producido por un organismo (o, en este caso, dos organismos), lo que ofrece una visión clara de cada gen que se expresa.
Una vez que los investigadores determinaron qué genes vegetales y bacterianos se expresaban en niveles más altos en los nódulos asociados con el crecimiento vegetal más vigoroso, secuenciaron genomas de referencia de alta calidad de cada cepa bacteriana.
Interpretar los datos fue una tarea formidable, dijo Heath.
«Las bacterias tienen procesos genéticos diferentes a los nuestros», dijo. «En genética clásica, pensamos mucho en esa línea vertical de herencia de padres a hijos, y ellas también lo hacen. Pero también intercambian genes horizontalmente cuando se encuentran con otras bacterias, dentro de la misma especie o entre especies diferentes. La complejidad de la transferencia horizontal de genes es enorme».
S. meliloti tiene dos fuentes de ADN: un cromosoma primario grande, que se hereda de una bacteria «progenitora» cuando se divide; y dos plásmidos gigantes, cada uno de los cuales contiene aproximadamente la mitad de genes que el cromosoma.
Los plásmidos son fragmentos circulares de ADN más móviles que el ADN cromosómico y constituyen el sitio de la transferencia horizontal de genes , lo que permite a las bacterias adquirir nuevos genes de sus vecinas. La transferencia horizontal de genes incluso permite que las bacterias adquieran los genes necesarios para convertirse en rizobios, explicó Heath.
Marshall-Colón y el investigador postdoctoral Rizwan Riaz realizaron análisis estadísticos detallados y modelado de redes genéticas para identificar qué genes rizóbicos se correlacionaban con un crecimiento vegetal más robusto. Los genomas de referencia fueron útiles para comprender qué genes estaban presentes y dónde se ubicaban en el ADN cromosómico o plasmídico. Esto resultó en el descubrimiento de que muchos de los genes de interés se agrupaban en plásmidos.
Experimentos posteriores, dirigidos por Barney Geddes, profesor de ciencias microbiológicas de la Universidad Estatal de Dakota del Norte y coautor del estudio, implicaron la eliminación de los genes especificados. Iván Sosa Márquez, estudiante de posgrado en microbiología de la Universidad de Illinois, analizó los efectos de estas eliminaciones en el crecimiento vegetal, confirmando que los genes identificados eran importantes para un crecimiento óptimo.
«No pretendemos afirmar que estos sean los genes importantes en todos los rizobios de todas las leguminosas», dijo Heath. «Pero estamos comprendiendo mejor el nivel de variación sobre el que actúa la selección natural».
El estudio ofrece una visión general de un conjunto de genes de S. meliloti, «que solo poseen algunas cepas y que parecen impulsar el crecimiento de una especie de leguminosa. Los genes en sí mismos tienen una aplicación menos universal que el enfoque que hemos desarrollado, que probablemente será aplicable a muchos otros campos», dijo Heath.
«Estos aspectos de la genética microbiana que estamos explorando son los que importan para la productividad agrícola, el crecimiento del ganado y la salud humana», dijo.
Son estos genes los que se mueven sin saber por qué. Y se relacionan con el resto del genoma de maneras muy complejas.
Heath y Marshall-Colón son afiliados del Instituto Carl R. Woese de Biología Genómica en la Universidad de Illinois.
Más información: Marshall-Colón, Amy et al., Los grupos de genes móviles y las vías coexpresadas entre plantas y rizobios impulsan la variación en la calidad de la pareja en la simbiosis, Actas de la Academia Nacional de Ciencias (2025). DOI: 10.1073/pnas.2411831122 . doi.org/10.1073/pnas.2411831122
