Agricultura Botánica y Genética Estados Unidos

Las plantas y los microbios dan forma a los biomas globales a través de alianzas subterráneas locales


Las densas selvas tropicales, las montañas cubiertas de arce y los extensos bosques de coníferas demuestran el crecimiento y la proliferación de árboles adaptados a condiciones específicas. El dominio regional de las especies de árboles que vemos en la superficie, sin embargo, en realidad podría haber sido determinado bajo tierra hace mucho tiempo.


Morgan Kelly, Universidad de Princeton


Investigadores de la Universidad de Princeton informan que la organización de bosques en todo el mundo, como las coníferas en los bosques boreales del norte o los árboles de hoja ancha de los trópicos, se basan en las antiguas relaciones que las especies de plantas forjaron con microbios que habitan en el suelo, como hongos y bacterias. Estos diminutos organismos, conocidos como simbiontes, mejoran la absorción de las raíces de los nutrientes esenciales nitrógeno y fósforo.

Los investigadores informaron en la revista Nature Ecology and Evolution que los árboles y arbustos llegaron a dominar biomas específicos al desarrollar el arreglo más competitivo con los microbios locales del suelo, y eliminar de la acción a las plantas en competencia.

La dinámica específica del bioma entre las plantas y los microbios del suelo podría ayudar a los científicos a comprender cómo pueden cambiar los ecosistemas a medida que el cambio climático provoca temperaturas más cálidas que alteran la interacción entre los árboles, los microbios y el suelo, informan los investigadores. Debido a que los arreglos simbióticos más competitivos para el triunfo de un bioma en particular, los científicos solo necesitarían entender cómo está cambiando un ecosistema para determinar qué vegetación se moverá hacia adentro y hacia afuera.

«El patrón que encontramos se puede usar para decirnos los paisajes que son más sensibles a las perturbaciones humanas», dijo el autor principal Lars Hedin, el profesor de biología George M. Moffett y profesor de ecología y biología evolutiva y el Instituto Ambiental de Princeton. «Predecirá qué comunidades de árboles irán a dónde, su efecto en el medio ambiente y cómo responderán en el futuro al cambio climático y al aumento del dióxido de carbono «.

El primer autor, Mingzhen Lu, investigador postdoctoral en el laboratorio de Hedin, dijo que las simbiosis surgieron porque las plantas necesitaban microbios para desbloquear los nutrientes, especialmente nitrógeno y fósforo, liberados a través de la descomposición del suelo. A cambio, los hongos y las bacterias prosperan en los carbohidratos que las plantas proporcionan a partir de la fotosíntesis. El liquen, la mezcla de hongos de algas blanco-verde con volantes que crecen en rocas y árboles, es un ejemplo temprano de esta cooperación.

«En el momento en que las plantas colonizaron la tierra, formaron simbiosis», dijo Lu. «La evolución de esas nuevas y poderosas simbiosis permitió a las plantas colonizar nuevas tierras. Esta biología potencia el ciclo global de carbono y nutrientes».

Lu y Hedin se enfocaron en árboles y arbustos y descubrieron que a medida que las plantas se extendían por todo el mundo, extraían biomas utilizando la ventaja de nutrientes que su relación con los microbios les otorgaba, dijo Lu. Por ejemplo, los árboles de arce establecerán las condiciones para que los árboles competidores no puedan crecer en las áreas donde habitan los arces.

«Este es un ejemplo perfecto de cómo los organismos biológicos pueden moldear el ambiente circundante a favor de ellos mismos», dijo Lu. «Esto nos sugiere que una vez que se incluyan los mecanismos biológicos correctos, se pueden predecir los cambios en la tierra, pero esos pronósticos deben capturar la dinámica subterránea. Al determinar la simbiosis más competitiva en condiciones específicas, podemos determinar cómo evolucionarán las comunidades de plantas. y desarrollar en ese bioma en el futuro «.

Lu y Hedin utilizaron un modelo de teoría de juegos que permitía a las plantas usar diferentes estrategias subterráneas para adquirir nutrientes. Su modelo examinó árboles y arbustos, conocidos como vegetación dominante, en bosques tropicales, templados y boreales. Observaron las condiciones del bioma, como la luz solar y el recambio de nutrientes, para examinar las simbiosis más competitivas que surgirán si se permite que los ecosistemas cambien y muten de forma natural. Se tomaron en cuenta la cantidad de carbono y nutrientes que circulan a través de un bioma particular, así como la forma en que responde a las perturbaciones y cómo las poblaciones de plantas se reemplazan entre sí a través de la sucesión.

Su modelo reveló que las interacciones locales específicas entre plantas, suelo y nutrientes son adecuadas para esas áreas. Por ejemplo, los árboles boreales han desarrollado relaciones simbióticas adaptadas para los suelos boreales esponjosos, pero no el suelo empapado de un bosque tropical.

«Nuestros hallazgos muestran que la relación entre las plantas y sus simbiontes es fundamental para comprender la organización y la historia de la biosfera terrestre», dijo Hedin.

El laboratorio de Hedin en Princeton descubrió previamente que las plantas pueden tener un papel más activo en su evolución, y en la formación de sistemas naturales, de lo que se les atribuye. En febrero de 2018, Hedin y Lu informaron en la revista Nature que la proliferación de la vida vegetal en todo el mundo puede haber sido impulsada por adaptaciones de la raíz que permitieron que las plantas fueran más eficientes e independientes.

En 2015, un artículo en Nature Plants sugirió que las plantas que se encuentran en áreas que de otra manera no serían adecuadas para ellos, como los suelos de bosques pobres con nitrógeno, usan secreciones para invitar a las bacterias del suelo conocidas como rizobios a infectar las células de sus raíces. En una relación de dar-dar similar a la descrita en la última publicación, los rizobios convierten el nitrógeno atmosférico en fertilizante a cambio de carbohidratos. Esta interacción crea un ciclo de nitrógeno que beneficia a la vegetación circundante.

«Las plantas han creado durante mucho tiempo las condiciones para su propio éxito. Lo importante es que ahora estamos comprendiendo mejor cómo funciona esto en función de nuestros modelos», dijo Hedin.

«Nuestro nuevo modelo muestra que las plantas han competido por los recursos del suelo y, al hacerlo, han aprovechado la ayuda de la simbiosis y esto los ha hecho exitosos», dijo. «La relación resultante ha sido tan poderosa que no solo han ayudado a otros árboles y plantas , sino que también han transformado el medio ambiente».


Más información: Mingzhen Lu et al. Organización mundial planta-simbionte y aparición de ciclos biogeoquímicos resueltos por modelado de rasgos basados ​​en la evolución, Nature Ecology & Evolution (2019). DOI: 10.1038 / s41559-018-0759-0Información de la revista: Naturaleza , Naturaleza , Plantas , Naturaleza , Ecología y Evolución.  Proporcionado por la Universidad de Princeton

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