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Los científicos aprenden cómo las plantas manipulan el ambiente del suelo para asegurar un suministro de nutrientes económico y constante


La próxima vez que esté pensando en cocinar la cena o pedir una pizza para la entrega, piense en esto: las plantas han estado haciendo lo mismo durante eones.


por la Universidad de Rice


Los investigadores del programa de Biología Sintética y Física de la Universidad de Rice detallaron cómo las plantas han evolucionado para requerir nutrientes, utilizando bacterias convenientes como servicio de entrega.

Su informe de acceso abierto en Science Advances analiza cómo las plantas leen el entorno local y, cuando es necesario, producen y liberan moléculas llamadas flavonoides. Estas moléculas atraen microbios que infectan las plantas y forman nódulos de nitrógeno, donde se generan los alimentos, en sus raíces.

Cuando el nitrógeno está presente y disponible, las plantas no necesitan ordenar. Su clave para detectar la presencia de una fuente de nitrógeno cercana de liberación lenta, el carbono orgánico .

«Es un magnífico ejemplo de evolución: las plantas cambian un par de grupos (oxígeno / hidrógeno) aquí y allá en el flavonoide , y esto les permite utilizar las condiciones del suelo para controlar con qué microbios hablan», dijo Caroline Masiello, biogeoquímica de Rice. coautor del estudio.

El equipo de Rice, en colaboración con investigadores de la Universidad de Cornell, analizó específicamente cómo los flavonoides median las interacciones entre plantas y microbios dependiendo de la presencia de carbono abiótico (no vivo). Sus experimentos revelaron, para su sorpresa, que un exceso de carbono disuelto, en lugar de sólido, en el suelo apaga efectivamente las señales de flavonoides.

Según los investigadores, comprender cómo el carbono en el suelo afecta estas señales puede proporcionar una forma de diseñar interacciones beneficiosas entre plantas y microbios y diseñar enmiendas efectivas del suelo (aditivos que equilibren las deficiencias en el suelo). Las plantas usan flavonoides como mecanismo de defensa contra los patógenos de las raíces y podrían manipular el carbono orgánico que producen para interferir con la señalización entre microbios y otras plantas que compiten por los mismos nutrientes.

En general, mostraron que los niveles más altos de carbono orgánico en el suelo reprimían las señales de flavonoides hasta en un 98%. En un conjunto de experimentos, la interrupción de las señales entre las plantas de leguminosas y los microbios cortó bruscamente la formación de nódulos de nitrógeno.

La estudiante graduada de Rice, Ilenne Del Valle, comenzó el estudio cuando se interesó por las sutiles diferencias entre los miles de flavonoides y cómo influyen en las conexiones entre las plantas y los microbios en el suelo.

«Habíamos estudiado cómo las diferentes enmiendas del suelo cambian la forma en que los microbios se comunican entre sí», dijo Del Valle, coautora principal del artículo con la ex asociada postdoctoral de Cornell, Tara Webster. «La siguiente pregunta era si esto estaba sucediendo cuando los microbios se comunican con las plantas.

«Sabíamos que las plantas modulan la simbiosis con los microbios a través de moléculas flavonoides», dijo. «Así que queríamos aprender cómo interactúan los flavonoides con las enmiendas del suelo utilizadas para diferentes propósitos en la agricultura».

Crédito: Ilenne Del Valle / Rice University
Crédito: Ilenne Del Valle / Rice University

Debido a que cuenta con dos profesores de Rice, Masiello y el biólogo sintético Joff Silberg, como sus asesores, tuvo acceso a herramientas de ambas disciplinas para descubrir los mecanismos detrás de esas sutilezas.

«Llegamos a este pensamiento pensando que iba a haber un gran efecto del biochar», dijo Silberg. «El biochar es carbón para la enmienda agrícola, y se sabe que afecta las señales de microbios a microbios. Tiene mucha superficie y los flavonoides también se ven pegajosos. La gente pensó que se adherirían al biochar».

«No lo hicieron. En cambio, descubrimos que el carbono disuelto que se movía a través del agua en el suelo estaba afectando las señales», dijo. «Fue muy diferente de todas nuestras expectativas».

El equipo de Rice y Cornell realizó experimentos con suelos de prados, granjas y bosques y luego los mezcló en tres flavonoides ligeramente diferentes: naringenina, quercetina y luteolina.

Encontraron los efectos más dramáticos cuando los carbonos disueltos derivados de materia vegetal o compost estaban presentes. Las plantas emplean naringenina, una variante del flavonoide que le da a la toronja su sabor amargo, y luteolina, expresada en hojas y muchos vegetales, para pedir la fijación microbiana de nitrógeno. Estos fueron más restringidos en su capacidad para encontrar microbios. La quercetina, también encontrada en alimentos como la col rizada y las cebollas rojas y utilizada para la defensa contra las plagas, no sufrió el mismo destino.

Masiello señaló que las plantas tienen un costo para conectarse con microbios en el suelo.

«Estas relaciones con los simbiontes son metabólicamente costosas», dijo. «Las plantas tienen que pagar a los microbios en azúcar fotosintetizada y, a cambio, los microbios extraen nutrientes del suelo. Los simbiontes microbianos pueden ser subcontratistas muy caros, que a veces toman una fracción significativa del fotosinato de una planta».

«Lo que Ilenne y Tara han demostrado es un mecanismo a través del cual las plantas pueden controlar si invierten en simbiontes caros», dijo. «Entre una amplia clase de compuestos de señalización utilizados por las plantas para muchos propósitos, una señal específica relacionada con los nutrientes se interrumpe por la alta materia orgánica del suelo, que es una fuente de nutrientes de liberación lenta. La señal de la planta que dice ‘ven a vivir con nosotros ‘no pasa.

«Esto es bueno para las plantas porque significa que no desperdician el fotosinato que apoya la ayuda microbiana que no necesitan. Ilenne y Tara también han demostrado que las señales utilizadas para otros fines están ligeramente modificadas químicamente, por lo que su transmisión no se ve afectada al mismo ritmo «.

Los investigadores verificaron las concentraciones de flavonoides en el suelo con cromatografía estándar, así como biosensores fluorescentes y de gas únicos, microbios genéticamente modificados introducidos en 2016 con el apoyo de una subvención de la Fundación Keck, que también respaldaron el proyecto actual. Los microbios liberan un gas cuando perciben una interacción microbiana particular en materiales opacos como el suelo.

«El sensor de gas terminó siendo muy útil en experimentos que parecían té, donde no pudimos obtener imágenes de señales fluorescentes», dijo Silberg.


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