Las plantas y su “pedido a domicilio”

La próxima vez que estés considerando entre si cocinar la cena o pedir una pizza a domicilio, piensa en esto: Las plantas han estado haciendo lo mismo por millones de años.

Investigadores del programa de Biología de Sistemas, Biología Sintética y Biofísica de la Universidad de Rice describen de que forma las plantas han evolucionado en su forma de pedir nutrientes, usando convenientemente las bacterias como un servicio de ‘pedidos a domicilio’.

El informe presentado por dichos investigadores en Science Advances describe de que manera las plantas modulan su ambiente local y de ser necesario, producen y secretan moléculas llamadas flavonoides. Estas moléculas atraen a las bacterias que infectan a las plantas y forman nódulos de nitrógeno – donde nutrientes son generados – en sus raíces.

Cuando hay nitrógeno disponible, las plantas no necesitan pedir nutrientes. Su habilidad de poder sentir la presencia de una fuente de nitrógeno de liberación prolongada (materia orgánica) es la clave.

“Es un hermoso ejemplo de la evolución: Las plantas cambian un par de (oxígenos/hidrógenos) grupos químicos por aquí y por allá en el flavonoide, y esto les permite usar las condiciones del suelo para controlar con que bacterias se comunican”, dice Caroline Masiello doctora en Biogeoquímica de Rice, y coautora del estudio.

El grupo de Rice, en colaboración con investigadores de la Universidad de Cornell, específicamente analizaron como los flavonoides facilitan las interacciones entre las plantas y las bacterias dependiendo de la presencia de factores abióticos (sin vida) como el carbono. Sorprendentemente, sus experimentos revelaron que un exceso de carbono disuelto y no carbono sólido es lo que efectivamente disminuye la señalización vía flavonoides.

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Según los investigadores, entender cómo el carbón en los suelos afecta estas señales, puede proveer nuevas maneras de crear interacciones beneficiosas entre las plantas y las bacterias, y a su vez diseñar mejoras del suelo (aditivos que balancean las deficiencias) para que sean más efectivas. Las plantas también podrían utilizan flavonoides como un mecanismo de defensa contra patógenos de las raíces o manipular la materia orgánica que ellos mismo producen para interferir con la señalización entre las bacterias y otras plantas vecinas que compiten por los mismos nutrientes.

En general, los investigadores demostraron que un mayor contenido de carbón orgánico en los suelos puede llegar a atenuar los flavonoides hasta un 98%. En uno de sus experimentos, esta atenuación fue capaz de interrumpir considerablemente la señalización entre legumbres y sus bacterias simbióticas, reduciendo drásticamente la formación de nódulos de nitrógeno.

La estudiante de doctorado Ilenne Del Valle empezó este estudio cuando se interesó en las pequeñas diferencias entre los miles de tipos de flavonoides que existen y su influencia en las comunicaciones entre las plantas y bacterias en el suelo.

“Habíamos estudiado como distintos tipos de mejoramientos de suelo podían afectar la comunicación entre bacterias”, dice Del Valle, coautora que lidera la publicación con la ex estudiante de postdoctorado Tara Webster de la Universidad de Cornell. “La siguiente pregunta era averiguar si esto ocurría cuando las bacterias se comunican con las plantas”.

“Sabíamos que las plantas modulan la simbiosis con las bacterias a través de las moléculas de los flavonoides”, ella dice. “Esto nos motivó a investigar cómo los flavonoides reaccionaban con las diferentes mejoras del suelo que son utilizadas en la agricultura”.

Debido a que ella cuenta con el apoyo de dos profesores de la Universidad de Rice, Masiello y el doctor en Biología Sintética Joff Silberg, como sus profesores guía, Ilenne tuvo acceso a herramientas de ambas disciplinas para descubrir los mecanismos detrás de esas sutilezas.

“Pensábamos que el carbón vegetal, también llamado biocarbón, iba a tener un gran efecto en la señalización”, dice Silberg. “El biocarbón es un carbón hecho para ser utilizado como mejoramiento de los suelos en la agricultura, y es sabido que es capaz de afectar la comunicación entre las bacterias. Además, tiene una gran superficie de contacto y los flavonoides parecen ser moléculas fácilmente adheribles. La gente pensaba que se iban a adherir a las partículas del biocarbón”.

“No se adhirieron, y en cambio, descubrimos que el carbón disuelto en el agua que se mueve a través del suelo fue lo que los afectaba”, él dice. “Estos resultados fueron muy distintos a lo que esperábamos”.

Los grupos de Rice y Cornell realizaron experimentos con suelos de prados, granjas y bosques y mezclaron tres tipos similares de flavonoides: naringenina, luteolina, y quercetina.

Ellos encontraron que los efectos más dramáticos ocurrían cuando el carbono disuelto derivado de material vegetal o abono estaban presentes. Las plantas usan naringenina, una variante de los flavonoides que les da el sabor amargo a los pomelos, y luteolina, que está presente en las hojas de muchos vegetales, para llamar a las bacterias capaces de fijar nitrógeno. Estos flavonoides fueron los más restringidos en su capacidad para encontrar a las bacterias. La quercetina, compuesto que es encontrado en alimentos como la col rizada y las cebollas moradas, y que es usada para la defensa contra las plagas no sufrieron la misma atenuación.

Masiello comenta que hay un costo asociado a que las plantas se comuniquen con las bacterias en el suelo.

“Las relaciones con los simbiontes son costosas metabólicamente”, ella dice. “Las plantas tienen que pagarles a las bacterias con azúcar fotosintetizada, y a cambio las bacterias extraen los nutrientes del suelo. La simbiosis microbiana puede llegar a ser costosa, a veces requiriendo una fracción significativa de la producción fotosintética de la planta”.

“Lo que Ilenne y Tara han demostrado es un mecanismo por el cual las plantas pueden decidir si invertir en estas costosas simbiosis”, ella dice. “Dentro de la amplia variedad de compuestos usados por las plantas para señalizar, una señal específicamente relacionada con los nutrientes se interrumpe cuando hay alta materia orgánica presente en el suelo (fuente de nutrientes de liberación prolongada). La señal de la planta que dice ‘ven a vivir con nosotros’ no es transmitida”.

“Estas son buenas noticias para las plantas porque significa que no tienen que gastar su producción fotosintética en llamar la ayuda bacteriana innecesariamente. Ilenne y Tara también han demostrado que las señales utilizadas para otros fines están ligeramente modificadas químicamente para que su transmisión no se vea afectada con la misma velocidad”.

Los investigadores no solamente comprobaron las concentraciones en el suelo con cromatografía estándar sino también usaron biosensores fluorescentes y de gases, bacteria genéticamente modificada introducida en el 2016 con la ayuda del financiamiento otorgado por la Fundación Keck, que también respaldó el proyecto actual. Las bacterias liberan un gas cuando perciben una interacción bacteriana en materiales opacos como el suelo.

“Los sensores de gas terminaron siendo útiles cuando se realizaron experimentos con materiales similares al té, donde no había una visualización clara”, afirmó Silberg.

Otros coautores del artículo son la ex alumna de Rice Hsiao-Ying Cheng, la estudiante de doctorado Mary Kaitlyn Miller y el profesor de Química Zachary Ball; Janice Thies, profesora asociada de Química del suelo, André Kessler, profesor asistente de Ecología y Biología Evolutiva, y Johannes Lehmann, profesor de Biogeoquímica y Gestión de la fertilidad del suelo de Liberty Hyde Bailey, todos en Cornell; y Kevin MacKenzie, profesor asociado de Patología y Farmacología en Baylor College of Medicine y profesor adjunto en Rice.

Masiello es profesora de Ciencias Terrestres, Ambientales y Planetarias en Rice. Silberg profesor honorario Steward Memorial de la Facultad de Ciencias Biológicas

La beca del Ministerio de Educación de Taiwán, la Fundación Nacional de Ciencias, la Oficina de Ciencias del Departamento de Energía y el Departamento de Agricultura de los Estados Unidos también apoyaron la investigación. (Fuente: Rice University)

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