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La investigación muestra que los microbios desempeñan un papel fundamental en el impulso del vigor del maíz híbrido

La investigación muestra que los microbios desempeñan un papel fundamental en el impulso del vigor del maíz híbrido
Peter Balint-Kurti recolecta una muestra de una planta de maíz cultivada en tierra agrícola fumigada en Clayton, Carolina del Norte. Crédito: Shannon Sermons.

Un nuevo artículo que aparece en las Actas de la Academia Nacional de Ciencias brinda nuevos detalles y comprensión del cultivo de maíz, uno de los cultivos comerciales más grandes de los Estados Unidos.


por la Universidad de Kansas


La investigación de un equipo de la Universidad de Kansas se centra en el «vigor híbrido», también conocido como «heterosis», un fenómeno bien conocido en el que los cruces entre líneas puras de maíz y otros cultivos producen descendencia que supera a sus padres en rendimiento y resistencia a la sequía. y otras cualidades deseables. Sin embargo, los mecanismos que sustentan la heterosis son poco conocidos a pesar de más de un siglo de investigación intensiva.

La nueva investigación de PNAS examina la relación entre la heterosis y los microbios del suelo y muestra, en la mayoría de los casos, que la heterosis es facilitada por una comunidad microbiana.

«El vigor híbrido es muy importante en la agricultura porque una de las razones de los grandes aumentos en la productividad de los cultivos durante las últimas décadas ha sido el uso de cultivares híbridos, que tienden a ser mucho más productivos, más fuertes y saludables que los cultivares consanguíneos», dijo. la autora principal Maggie Wagner, científica asistente del Centro de Investigación Biológica y Investigación Ecológica de Kansas y profesora asistente del Departamento de Ecología y Biología Evolutiva de KU. «A pesar de lo importante que es esto, todavía no entendemos completamente por qué los híbridos son tan superiores a los endogámicos. Se ha prestado mucha atención a la genética del vigor híbrido, lo cual tiene sentido porque la hibridación es un proceso genético, pero ha habido alguna evidencia de que El medio ambiente también es importante para afectar la fuerza del vigor híbrido. En este artículo,

La investigación muestra que los microbios desempeñan un papel fundamental en el impulso del vigor del maíz híbrido
Plantas de maíz jóvenes que crecen en condiciones de laboratorio estériles. Crédito: Fernanda Salvato.

En una serie de experimentos, Wagner y sus coautores encontraron que en la mayoría de los casos, las líneas parentales consanguíneas y los cruces híbridos funcionan de manera similar en condiciones estériles, sin la presencia de microbios, pero la heterosis «se puede restaurar mediante la inoculación con una comunidad simple de siete cepas bacterianas. . » Los investigadores observaron los mismos resultados para las plántulas inoculadas con «lodos de suelo en autoclave versus lodos vivos en una cámara de crecimiento y para plantas cultivadas en el campo al vapor o fumigadas versus no tratadas».

Los coautores de Wagner en KU fueron Kayla Clouse y Laura Phillips. Otros coautores fueron Clara Tang, Fernanda Salvato, Alexandria Bartlett, Simina Vintila, Manuel Kleiner, Mark Hoffmann, Shannon Sermons y Peter Balint-Kurti en la Universidad Estatal de Carolina del Norte. Sermons y Balint-Kurti también trabajan con el Departamento de Agricultura de Estados Unidos.

«En experimentos de laboratorio, básicamente cultivamos las plantas dentro de bolsas de plástico para proporcionarles un ambiente completamente estéril», dijo Wagner. «Eso nos permitió controlar por completo qué microbios, si los hay, estaban interactuando con las plantas. Por lo tanto, es solo algo de microbiología básica, junto con un nuevo tipo de entorno de crecimiento. Pero luego, en el campo, probamos varios enfoques diferentes para esterilizar el suelo, incluida la fumigación a vapor, que se usa con frecuencia, especialmente en la producción de frutas y verduras. En realidad, no se usa generalmente para el cultivo de maíz, pero para este experimento tenía sentido que lo hiciéramos. Y también probamos algunos fumigantes químicos, y obtuve resultados similares con todos esos métodos «.

En el experimento de vaporización del suelo en la KU Field Station, que elimina o reduce temporalmente los microbios, los investigadores encontraron que la vaporización «aumentó en lugar de disminuir la heterosis, lo que indica que la dirección del efecto depende de la composición de la comunidad, el medio ambiente o ambos».

La investigación muestra que los microbios desempeñan un papel fundamental en el impulso del vigor del maíz híbrido
Un miembro del equipo mide la altura de una plántula de maíz cultivada en suelo agrícola fumigado. Crédito: Shannon Sermons

«Es complicado y todavía no entendemos completamente lo que está pasando», dijo Wagner. «Los primeros tres experimentos mostraron todos exactamente la misma dirección del efecto. Pero luego, para el cuarto experimento, nuevamente encontramos que los microbios influyeron en la heterosis, pero fue en la dirección opuesta, donde el híbrido tuvo una reacción más positiva a las condiciones estériles. Nosotros Creo que esto podría deberse a algo particular de la comunidad microbiana en el suelo para este experimento, pero aún no estamos seguros «.

El nuevo artículo será seguido por una investigación en la misma línea, respaldada por una nueva subvención de $ 900,000 de la National Science Foundation que involucra a muchos del mismo personal, con Wagner actuando como uno de los investigadores principales.

El trabajo de la subvención seguirá tres líneas de investigación: probar una variedad de microbios para determinar su capacidad para aumentar el vigor híbrido en el maíz; encontrar variantes genéticas y regiones del genoma del maíz que respondan a los microbios del suelo ; e investigar cómo se comportan los microbios en las raíces del maíz híbrido y endogámico a nivel molecular. Los investigadores esperan que su trabajo pueda conducir a mejores técnicas en agricultura y conservación.

«Tenemos esta observación muy básica de los microbios que afectan el vigor híbrido, pero no pudimos darle seguimiento sin algunos fondos; esta subvención va a impulsar la misma línea de investigación», dijo Wagner. «Mis colaboradores son Manuel Kleiner en NC State, quien es un experto en metaproteómica, que es una forma de medir la expresión de proteínas de los microbios dentro de las raíces de las plantas. Esperamos aprender más sobre cómo los híbridos y los endogámicos interactúan con los microbios de manera diferente, posiblemente influyendo en el comportamiento de los microbios. Nuestro otro colaborador es Peter Balint-Kurti del USDA. Es un experto en el sistema inmunológico del maíz y la base genética de la resistencia a las enfermedades, por lo que mapeará algunos genes relacionados con las respuestas de los híbridos a los microbios. Aquí en Kansas, un estudiante de posgradoEn mi laboratorio, Kayla Clouse, analizará algunos de los patrones más amplios de este fenómeno; por ejemplo, aún no sabemos si todos los híbridos de maíz reaccionarán a los microbios de la misma manera. Hasta ahora, solo hemos confirmado esto en un híbrido, por lo que debemos averiguar qué tan generalizable es, y también esperamos descubrir qué hay en la comunidad microbiana que puede afectar esta respuesta en cualquier dirección. Gran parte de su futura tesis estará relacionada con este proyecto «.



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