La genética de las plantas huéspedes determina qué microorganismos atraen, según revela un estudio.

19 de diciembre de 2023

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por Ananya Sen, Universidad de Illinois en Urbana-Champaign

Las plantas suelen desarrollar comunidades con microorganismos en sus raíces, lo que influye en la salud y el desarrollo de las plantas. Aunque el reclutamiento de estos microbios está dictado por varios factores, no está claro si la variación genética en las plantas hospedadoras desempeña un papel. En un nuevo estudio, investigadores de la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign exploraron esta pregunta y su trabajo puede ayudar a mejorar la productividad agrícola.

"Anteriormente, los investigadores solo han analizado qué tipo de microbios están presentes en asociación con las plantas, pero no lo que podría estar impulsando la formación de estas comunidades y cómo podríamos controlar estos factores a través de la cría de plantas", dijo Angela Kent (CABBI), profesora de recursos naturales y ciencias ambientales.

Los microbios forman complejas comunidades llamadas microbiomas dentro y alrededor de las raíces de las plantas. Las plantas hospedadoras pueden dictar qué microbios son invitados a sus raíces, conocidos como endófitos, utilizando señales químicas. También pueden alterar las propiedades del suelo alrededor de las raíces para influir en qué microbios pueden crecer alrededor de la superficie de las raíces o la rizosfera.

Sin embargo, para criar plantas en función de los microbios con los que se asocian, los investigadores primero necesitan comprender el grado en que 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 hierba plateada: Miscanthus sinensis y Miscanthus floridulus. Estas plantas se consideran cultivos potenciales de bioenergía porque requieren concentraciones más bajas de nutrientes para lograr un mayor crecimiento en comparación con los cultivos tradicionales.

El estudio se realizó en 16 lugares de Taiwán e incluyó una variedad de condiciones ambientales, como aguas termales, picos de montañas y valles, para representar todos los posibles extremos ambientales. Los investigadores recolectaron 236 muestras de suelo de rizosfera de plantas de Miscanthus seleccionadas al azar y también aislaron el microbioma dentro de las raíces.

"Aunque la escala de este estudio fue sin precedentes, tuvimos cuidado con las regulaciones de protección fitosanitaria. Procesamos las muestras en Taiwán para extraer la comunidad microbiana endofítica y recolectar el microbioma de la rizosfera", dijo Kent.

Los investigadores utilizaron dos tipos de técnicas de secuenciación de ADN en su estudio. Los microbiomas dentro y alrededor de las raíces se identificaron utilizando la secuencia de ADN de los genes de ARN ribosomal bacteriano y fúngico, centrándose en la parte del genoma que es única para cada especie. La variación en el genoma de la planta se midió mediante microsatélites, que son pequeñas piezas de ADN repetido 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 de la época. A medida que el costo de la secuenciación se redujo, nos permitió revisar los datos y examinar más de cerca el microbioma. Durante el procesamiento de las muestras, también extraímos inadvertidamente ADN vegetal y pudimos utilizar eso como recurso para genotipar nuestras poblaciones de Miscanthus", dijo Kent.

"Examinamos las secuencias del genoma del hospedador en busca de información sobre cómo pueden afectar el microbioma", dijo Niuniu Ji, investigadora postdoctoral en el laboratorio de Kent. "Descubrí que las plantas afectan al microbioma central, lo cual fue emocionante".

Aunque los microbiomas de las plantas son muy diversos, el microbioma central es una colección de microbios que se encuentran en la mayoría de las muestras de un conjunto particular de plantas. Se considera que estos microbios juegan un papel importante en la organización de qué otros microbios se asocian con la planta y ayudan en el crecimiento del hospedador.

El microbioma central que los investigadores encontraron en Miscanthus incluía bacterias fijadoras de nitrógeno que se han encontrado en arroz y cebada en otros estudios. Todos estos microbios juegan un papel en ayudar a las plantas a adquirir nitrógeno, que es un nutriente vital para el crecimiento de las plantas. Reclutar microbios fijadores de nitrógeno puede ayudar a las plantas a adaptarse a diferentes entornos, pero lo más importante, esta capacidad contribuye a la sostenibilidad de esta hierba como un posible cultivo de bioenergía.

Por otro lado, la influencia de la variación genética entre las plantas tuvo un efecto menor en el microbioma de la rizosfera, que fue afectado de manera más notable por el entorno del suelo. Aun así, las plantas dieron un mayor énfasis a reclutar hongos en comparación con otros microbios.

The researchers are interested in parsing out which genes play a role in influencing the microbiome. 'The microsatellites do not have a biological function and are not representative of the whole genome. It would be nice if we could sequence the whole Miscanthus genome and figure out how the genes affect nitrogen fixation,' Ji said.

'Crop breeding is based on yield. However, we need to take a wider look and consider how microbes can contribute to crop sustainability,' Kent said. 'The appeal of working with wild plants is that there is vast genetic variation to look at. We can identify which variants are good at recruiting nitrogen-fixing microbes because we can use fewer fertilizers on these crops. It's an exciting possibility as we embark on adapting these plants for bioenergy purposes.'

The study 'Host genetic variation drives the differentiation in the ecological role of the native Miscanthus root-associated microbiome' was published in Microbiome.

Journal information: Microbiome

Provided by University of Illinois at Urbana-Champaign