¿Cómo se cultiva un microbioma vegetal saludable?

Los científicos se centran en cómo se ve un microbioma humano sano, mapeando las bacterias normales que viven en y sobre el cuerpo humano sano. ¿Pero qué pasa con un microbioma vegetal saludable?

¿Existe incluso un microbioma vegetal saludable en los campos agrícolas de hoy en día, con acres de plantas idénticas atacadas por pesticidas y herbicidas y exageradas con fertilizantes?

Un nuevo estudio realizado por la Universidad de California, Berkeley, los ecólogos microbianos utilizaron la evolución experimental para ayudar a identificar el microbioma central de los tomates comerciales. Seleccionaron los taxones microbianos que mejor sobrevivieron en las plantas y luego demostraron que estas comunidades microbianas “domesticadas” son capaces de defenderse de los microbios aleatorios que aterrizan en las plantas. En otras palabras, estas comunidades seleccionadas se parecen a un microbioma vegetal estable y saludable, similar a lo que una planta de tomate robusta podría transmitir a su descendencia.

Los resultados son buenas noticias para los productores que esperan que manipular el microbioma de la planta, quizás con probióticos, genere campos más saludables que necesiten menos fertilizantes y menos pesticidas para producir buenos rendimientos.

“Veo las implicaciones de este trabajo no solo sobre los probióticos, sino también sobre la orientación de la práctica agrícola”, dijo la líder del estudio Britt Koskella, profesora asistente de biología integrativa de UC Berkeley. “Al plantar campos, deberíamos pensar en cómo lo que hacemos, ya sea la estructuración por edad de los cultivos o el monocultivo frente a la rotación de cultivos, lo que hay en el suelo o lo que vive cerca, puede afectar la adquisición y la salud de la planta microbioma. Deberíamos manipular las condiciones de crecimiento de manera que la transmisión microbiana sea más parecida a lo que sucedería naturalmente “.

Koskella, autora principal Norma Morella, quien ahora es becaria postdoctoral en el Centro de Investigación del Cáncer Fred Hutchinson en Seattle, y sus colegas informaron sus hallazgos en línea esta semana en la revista Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS).

¿Cómo obtienen las plántulas microbiomas de sus madres?

Koskella estudia la ecología microbiana de las plantas y cómo afecta la salud de las plantas, al igual que los biólogos estudian el papel del microbioma humano en la salud. Centrándose en los cultivos agrícolas, tiene algunas de las mismas preocupaciones que los biólogos que se preocupan por la transmisión de un microbioma humano sano (piel, intestino y más) de madre a bebé.

Cuando las plántulas se colocan por primera vez en los campos, por ejemplo, a menudo no hay plantas adultas cercanas de las que puedan adquirir microbios de hojas y tallos. En ausencia de transmisión materna, se preguntó Koskella, ¿cómo adquieren estas plantas sus microbiomas, y son estos microbiomas ideales para las plantas en crecimiento?

Y, si los microbiomas no están bien adaptados, por ejemplo, no son resistentes a los microbios portadores de enfermedades, ¿pueden mejorarse?

Estas preguntas se vuelven cada vez más importantes a medida que los productores y la industria intentan mejorar el rendimiento y la sostenibilidad de los cultivos rodeando las semillas con microbios deseables, diseñando comunidades microbianas del suelo o rociando los microbios deseados en las plantas en crecimiento.

La evidencia creciente también muestra que los microbiomas pueden afectar el rendimiento, la tolerancia a la sequía e incluso el tiempo de floración de las plantas. ¿Se pueden mejorar los microbiomas para lograr esto, y los microbiomas mejorados sobrevivirán el tiempo suficiente para ayudar a las plantas?

El nuevo estudio es alentador.

“Ya sabemos que, en teoría, puede seleccionar microbios que realizan funciones particulares: aumento del rendimiento, tolerancia a la sequía o resistencia a enfermedades, por ejemplo”, dijo Koskella. “Estamos demostrando aquí que, en principio, puede crear una comunidad microbiana que tenga la función que le interesa, pero que tampoco sea invasora, porque está realmente bien adaptada a esa planta”.

Cultivar un microbioma central

Los experimentos de los investigadores, realizados en invernaderos en el Tracto Oxford de UC Berkeley, involucraron tomar cinco tipos de tomates y rociar cuatro generaciones sucesivas de plantas con los microbiomas de la generación anterior. La primera generación fue rociada con una amplia mezcla de microbios encontrados en una variedad de tomates en un campo al aire libre en UC Davis.

Nutrir la comunidad microbiana de cada tipo de tomate a través de generaciones sucesivas le permitió adaptarse a cada cepa, idealmente eliminando los microbios mal adaptados y permitiendo que florezcan los bien adaptados.

Al secuenciar las subunidades ribosómicas 16S de las comunidades microbianas de los tomates después de cada generación, una técnica que permite la identificación de diferentes taxones bacterianos, pudieron demostrar que, para la cuarta generación, solo quedaba el 25% de los taxones microbianos originales.

“Entonces, el 75 por ciento de las bacterias originales que rociamos se extinguen virtualmente durante el experimento”, dijo Koskella. “Eso es realmente interesante en sí mismo, porque sugiere que muchos de los microbios no están bien adaptados, están ahí por casualidad. El viento los sopló allí, la lluvia los salpicó allí, pero no están prosperando, probablemente no están adaptados a ese entorno particular “.

El 25% restante, que era muy similar en todas las líneas de selección independientes y en las cinco cepas de tomate, se parecía mucho a un microbioma “central”: los microbios clave necesarios para una planta sana.

Cuando Morella roció plantas de tomate con una mezcla microbiana, la mitad del microbioma parcialmente adaptado de la primera generación, la mitad del microbioma de cuarta generación más maduro, los microbios de cuarta generación se hicieron cargo, lo que sugiere que estaban mucho mejor adaptados al tomate.

“Creo que este trabajo en el tomate respalda la idea de que las bacterias de la hoja son probablemente muy distintivas y tienen los rasgos necesarios para que crezcan bien en esas plantas, y que solo el hecho de que puedas encontrar cosas allí puede significar que están allí. solo transitoriamente y probablemente en el proceso de morir “, dijo el coautor Steven Lindow, profesor de biología vegetal y microbiana de la Universidad de California en Berkeley, quien ha estado investigando las interacciones entre plantas y patógenos durante casi 50 años. “Esto es muy consistente con lo que habíamos encontrado antes, que los buenos colonos de plantas pueden crecer en muchas plantas y, al hacerlo, usurpar la capacidad de cualquier otra persona para crecer allí también. El efecto profiláctico es definitivamente muy fuerte y real y muy importante en mantener alejados a otros colonos de plantas “.

“Lo que realmente quieres preguntar es, ‘¿Quién gana cuando los enfrentas cara a cara? ¿El microbioma seleccionado o el microbioma no seleccionado?'”, Dijo Koskella. “Esa, para mí, es mi parte favorita de todo el experimento y fue el ‘¡ajá! Momento’: la selección funciona, realmente puedes seleccionar un microbioma que esté bien adaptado y que no sea invadible, al menos en las condiciones que utilizamos para selección.”

El grupo de Koskella está llevando a cabo más experimentos para determinar si el microbioma seleccionado realmente mejora la salud de la planta, la capacidad de recuperación y la productividad, y si los microbios probióticos se pueden integrar con éxito en el microbioma central para obtener beneficios duraderos para los cultivos.

El trabajo fue apoyado por la National Science Foundation (DEB 1754494). Otros coautores del artículo son Francis Cheng-Hsuan Weng de la Academia Sinica en Taipei, Taiwán, Pierre Joubert de UC Berkeley y Jessica Metcalf de la Universidad de Princeton.

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