Las plantas forman alianzas con microbios en el suelo en el que crecen.
por la Universidad de California – Riverside
Las leguminosas, por ejemplo, se benefician de una relación simbiótica con los microbios que habitan en los nódulos de sus raíces y «fijan» el nitrógeno en la atmósfera para que esté disponible para promover el crecimiento de las leguminosas. Pero, ¿los microbios siempre son beneficiosos para las plantas? ¿O es que la competencia entre las cepas por el acceso a las plantas degrada el servicio que finalmente brinda la bacteria?
Un equipo dirigido por científicos de la Universidad de California, Riverside, realizó experimentos para responder estas preguntas y comprender mejor el proceso de competencia. Los investigadores utilizaron una planta nativa de California con nódulos, Acmispon strigosus, y un conjunto de ocho cepas bacterianas fijadoras de nitrógeno compatibles .
Infectaron algunas plantas con cada una de las ocho cepas para medir directamente su capacidad de infectar las plantas y proporcionar beneficios. Luego infectaron otras plantas con pares de cepas bacterianas para evaluar la capacidad competitiva de cada cepa y el efecto sobre el rendimiento de la planta.
Los investigadores encontraron que la competencia entre cepas de bacterias beneficiosas en el suelo degrada el servicio que las bacterias brindan a sus anfitriones. El estudio, «La interferencia competitiva entre los rizobios reduce los beneficios para los anfitriones», aparece en la revista Current Biology .
«Más específicamente, encontramos que la competencia entre cepas que ocurre en el suelo antes de que las bacterias infecten la planta hace que menos bacterias colonicen la planta, lo que hace que la planta obtenga menos beneficios al final», dijo Joel Sachs, profesor de evolución, ecología y biología de organismos, quien dirigió el equipo de investigación.
«Para comprender la simbiosis, a menudo usamos condiciones estériles en las que una cepa de bacterias se ‘inocula’ o se introduce en un huésped estéril. Nuestros experimentos muestran que hacer que ese sistema sea un poco más complejo, simplemente usando dos cepas bacterianas a la vez, cambia fundamentalmente el equilibrio de los beneficios que reciben los huéspedes, remodelando nuestra comprensión de cómo funciona la simbiosis».
Sachs explicó que un desafío central en la agricultura es aprovechar los servicios que los microbios pueden brindar a los cultivos al promover el crecimiento de manera sostenible, sin los costos ambientales de los fertilizantes químicos. Su laboratorio estudia los rizobios, bacterias que promueven el crecimiento de las plantas.
La competencia de rizobios es un problema de larga data para la agricultura sostenible. Los rizobios forman nódulos en las raíces de las leguminosas, dentro de los cuales las bacterias fijan nitrógeno para la planta a cambio del carbono de la fotosíntesis. Los productores han buscado durante mucho tiempo aprovechar los rizobios para fertilizar de forma sostenible cultivos de leguminosas básicas como la soja, el maní, los guisantes y las judías verdes.
«Uno podría pensar que el uso de rizobios como inoculantes debería permitir a los productores minimizar el uso de nitrógeno químico, que es perjudicial para el medio ambiente«, dijo Sachs, quien preside el Departamento de Evolución, Ecología y Biología de Organismos. «Pero tal inoculación de rizobios rara vez tiene éxito. Cuando los productores inoculan sus cultivos con rizobios de alta calidad, cepas que fijan una gran cantidad de nitrógeno, estas cepas ‘elite’ son superadas por los rizobios autóctonos que ya están en el suelo y brindan poco o ningún beneficio a los huéspedes».
En sus experimentos, Sachs y sus colegas utilizaron cepas bacterianas cuyos genomas ya habían secuenciado. También caracterizaron las cepas, que iban desde muy beneficiosas hasta ineficaces en la fijación de nitrógeno, para saber exactamente qué tan beneficiosas eran para las especies de plantas objetivo. Los investigadores secuenciaron el contenido de más de 1100 nódulos, cada uno de los cuales era de una planta que fue inoculada con una de las 28 combinaciones de cepas diferentes.
A continuación, los investigadores desarrollaron modelos matemáticos para predecir cuánto beneficio obtendrían las plantas co-inoculadas en función de las expectativas de las plantas que estaban «infectadas clonalmente» (infectadas con una cepa). Esto permitió a los investigadores calcular el déficit de crecimiento causado específicamente por la competencia entre cepas.
«Nuestros modelos mostraron que las plantas co-inoculadas obtuvieron beneficios mucho menores de la simbiosis de lo que podría esperarse de las infecciones clonales», dijo Arafat Rahman, exestudiante graduado en el laboratorio de Sachs y primer autor del artículo de investigación. «Si bien las bacterias beneficiosas funcionan bien en el laboratorio, se ven superadas en la competencia en el entorno natural. En última instancia, queremos encontrar una cepa de bacterias, o un conjunto de ellas, que brinde el máximo beneficio a la planta huésped y sea competitiva frente a las cepas bacterianas que ya están en el suelo».
Sachs explicó que para descubrir y desarrollar una cepa bacteriana que sea muy beneficiosa para las plantas, los científicos deben realizar experimentos en condiciones muy limpias.
«En última instancia, queremos utilizar bacterias beneficiosas en la agricultura», dijo. «Para identificar estas bacterias, por lo general, agregaríamos una cepa bacteriana a una planta en el laboratorio y mostraríamos que la planta crece mucho mejor con la cepa que sin ella. Sin embargo, en el campo, esa planta está cubierta de microbios, lo que complica la historia. En nuestros experimentos, pasamos de usar una cepa a un par de cepas para ver qué impacto tiene en el crecimiento de la planta. Curiosamente, con solo dos cepas, muchas de nuestras predicciones se desmoronaron».
Rahman enfatizó que si bien se necesitan experimentos para determinar qué tan beneficiosa es una cepa bacteriana, también se necesitan experimentos que prueben qué tan competitiva es la cepa frente a un panel de otras cepas bacterianas.
«Ambos pasos son cruciales», dijo. «Nuestro trabajo encontró que algunas de las mejores cepas pueden ser muy beneficiosas para el crecimiento de las plantas, pero tan pronto como las combina con cualquier otra cepa, ese beneficio se reduce considerablemente. Además, es importante saber en qué etapa tiene lugar la competencia entre cepas: ¿antes de que las bacterias interactúen con la planta o después? Nuestro trabajo sugiere que es lo primero y proporciona una guía útil para diseñar futuros experimentos destinados a descubrir cepas que sean mejores para la entrega en los cultivos».
Sachs dijo que en muchos de los diseños experimentales actuales la atención se centra en el beneficio para las plantas.
«Sin embargo, es importante tener en cuenta que las bacterias están formadas por selección natural», dijo. «Algunos de ellos pueden ser altamente competitivos al ingresar al nódulo para infectar la planta, pero no ser muy beneficiosos para la planta y ese podría ser un rasgo que triunfa en la naturaleza. Si queremos aprovechar las comunidades microbianas para los servicios que pueden brindar a las plantas y los animales, debemos comprender la dinámica entre cepas en estas comunidades « .
Según Sachs y Rahman, las prácticas de crecimiento sostenible deben ser un aspecto crítico de la nueva agricultura para alimentar a una población en crecimiento con una base de recursos limitada.
«Esto requerirá superar los métodos contaminantes, como agregar grandes cantidades de nitrógeno químico al suelo», dijo Sachs. «Comprender cómo entregar de manera eficiente los microbios beneficiosos a un huésped objetivo es un desafío central en la ciencia de la medicina, la agricultura y la ganadería. Al revelar que la dinámica entre cepas puede reducir los beneficios de la simbiosis, nuestro trabajo ha abierto nuevas vías de investigación para mejorar las prácticas agrícolas sostenibles».
A Sachs y Rahman se unieron en el estudio Max Manci, Cassandra Nadon, Ivan A. Perez, Warisha F. Farsamin, Matthew T. Lampe, Tram H. Le y Lorena Torres Martínez de UCR, y Alexandra J. Weisberg y Jeff H. Chang de Oregon State University. Rahman planea unirse a la Universidad Estatal de Oregón como investigadora postdoctoral.
Más información: Joel L. Sachs, La interferencia competitiva entre los rizobios reduce los beneficios para los huéspedes, Current Biology (2023). DOI: 10.1016/j.cub.2023.06.081 . www.cell.com/current-biology/f … 0960-9822(23)00867-9
