Las plantas suelen desarrollar comunidades de microorganismos en sus raíces, lo que influye en su salud y desarrollo.
por Ananya Sen, Universidad de Illinois en Urbana-Champaign
Si bien el reclutamiento de estos microbios depende de varios factores, no está claro si la variación genética en las plantas hospedantes influye. En un nuevo estudio, investigadores de la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign exploraron esta cuestión y su trabajo puede contribuir a mejorar la productividad agrícola.
“Anteriormente, los investigadores solo han analizado qué tipo de microbios están presentes en asociación con las plantas, pero no qué podría impulsar la formación de estas comunidades ni cómo podríamos controlar estos factores mediante el fitomejoramiento”, dijo Angela Kent (CABBI), profesora de recursos naturales y ciencias ambientales.
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 radicular o rizosfera.
Sin embargo, para poder cultivar plantas basándose en los microbios con los que se asocian, los investigadores primero necesitan comprender hasta qué punto los genomas de las plantas pueden influir en el microbioma de la rizosfera.
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.
El estudio se llevó a cabo en 16 sitios de Taiwán e incluyó diversas condiciones ambientales, como aguas termales , picos montañosos y valles, para representar todos los extremos ambientales posibles. Los investigadores recolectaron 236 muestras de suelo rizosfera de plantas de Miscanthus seleccionadas al azar y aislaron el microbioma de las raíces.
“Aunque la escala de este estudio no tenía precedentes, tuvimos en cuenta las normas de protección vegetal y cuarentena. Procesamos las muestras en Taiwán para extraer la comunidad microbiana endófita y recolectar el microbioma de la rizosfera”, explicó Kent.
Los investigadores emplearon dos tipos de técnicas de secuenciación de ADN en su estudio. Los microbiomas dentro y alrededor de las raíces se identificaron mediante la secuencia de ADN de genes de ARNr bacterianos y fúngicos, centrándose en la parte del genoma exclusiva de cada especie. La variación en el genoma vegetal se midió mediante microsatélites, que son pequeños fragmentos de ADN repetitivo 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 del momento. Al reducirse el costo de la secuenciación, pudimos revisar los datos y observar más de cerca el microbioma. Durante el procesamiento de las muestras, también extrajimos inadvertidamente ADN vegetal, que pudimos utilizar como recurso para la genotipificación de nuestras poblaciones de Miscanthus, explicó Kent.
“Analizamos las secuencias del genoma del huésped para comprender cómo pueden afectar al microbioma”, afirmó Niuniu Ji, investigador postdoctoral en el laboratorio de Kent. “Descubrí que las plantas afectan al microbioma central, lo cual fue emocionante”.
Aunque los microbiomas vegetales son muy diversos, el microbioma central es un conjunto de microbios presentes en la mayoría de las muestras de un conjunto específico de plantas. Se considera que estos microbios desempeñan un papel importante en la organización de otros microbios asociados a la planta y en el crecimiento del huésped.
El microbioma central que los investigadores encontraron en el Miscanthus incluía bacterias fijadoras de nitrógeno que se han encontrado en el arroz y la cebada en otros estudios. Todos estos microbios contribuyen a la absorción de nitrógeno por parte de las plantas, un nutriente vital para su crecimiento. El reclutamiento de microbios fijadores de nitrógeno puede ayudar a las plantas a adaptarse a diferentes entornos, pero, lo que es más importante, esta capacidad contribuye a la sostenibilidad de esta gramínea como posible cultivo bioenergético.
Por otro lado, la influencia de la variación genética entre las plantas tuvo un menor efecto en el microbioma de la rizosfera, el cual se vio más afectado por el ambiente edáfico. Aun así, las plantas priorizaron el reclutamiento de hongos en comparación con otros microbios.
Los investigadores están interesados en determinar qué genes influyen en el microbioma. «Los microsatélites no tienen una función biológica y no son representativos del genoma completo. Sería interesante secuenciar todo el genoma del Miscanthus y comprender cómo los genes afectan la fijación de nitrógeno», afirmó Ji.
“El mejoramiento de cultivos se basa en el rendimiento. Sin embargo, necesitamos una perspectiva más amplia y considerar cómo los microbios pueden contribuir a la sostenibilidad de los cultivos”, dijo Kent. “El atractivo de trabajar con plantas silvestres reside en la amplia variación genética que se puede estudiar. Podemos identificar qué variantes son eficaces para reclutar microbios fijadores de nitrógeno, ya que podemos usar menos fertilizantes en estos cultivos. Es una posibilidad emocionante a medida que nos embarcamos en la adaptación de estas plantas para fines bioenergéticos”.
El estudio ” La variación genética del huésped impulsa la diferenciación en el papel ecológico del microbioma asociado a la raíz de Miscanthus nativo ” fue publicado en Microbiome .
Más información: Niuniu Ji et al., La variación genética del hospedador impulsa la diferenciación en el rol ecológico del microbioma asociado a la raíz de Miscanthus nativo, Microbiome (2023). DOI: 10.1186/s40168-023-01646-3
