A medida que la población mundial aumenta, se estima que llegará a casi 10 mil millones para 2050, también lo hace la necesidad de aumentar los rendimientos de los cultivos y producir suficiente material vegetal para alimentos y combustibles alternativos sostenibles. Para ayudar a mejorar las estrategias de mejoramiento de cultivos y superar desafíos como hacerplantas más tolerantes a las tierras marginales y tensiones como la sequía y la baja disponibilidad de nutrientes, los investigadores se centran en comprender y promover relaciones beneficiosas entre plantas y microbios.
número del 18 de diciembre de 2017 publicado en Genética de la naturaleza , un equipo dirigido por investigadores del Instituto Conjunto del Genoma JGI del Departamento de Energía de los EE. UU. DOE, una instalación de usuarios de la Oficina de Ciencia del DOE y el Instituto Médico Howard Hughes de la Universidad de Carolina del Norte en Chapel Hill UNChan explotado un catálogo de genomas bacterianos para identificar y caracterizar genes candidatos que ayudan a las bacterias a adaptarse a los ambientes de las plantas, específicamente genes involucrados en la colonización de raíces bacterianas.
La mayoría de los estudios en el campo hasta la fecha se han centrado en la estructura comunitaria del microbioma de la planta, es decir, "quién está allí" y menos en la función, es decir, "qué están haciendo, cómo y cuándo lo están haciendo"."Los estudios anteriores que han considerado la función han analizado principalmente una única interacción huésped-microbio, como la que existe entre una planta de Arabidopsis y un patógeno".
"Si queremos diseñar el microbioma adecuado para apoyar el crecimiento de las plantas, necesitamos comprender la función real del microbioma y no solo los genes marcadores de secuencia", dijo el coautor del estudio, Asaf Levy, científico investigador de la JGI."Aquí usamos un esfuerzo genómico y computacional masivo para abordar la pregunta fundamental e importante: '¿Cómo interactúa el microbioma de la planta con la planta?'"
La mayor parte de la interacción entre los microbios y las plantas se produce en la interfaz entre las raíces y el suelo. Investigadores de UNC, Oak Ridge National Lab y el Instituto Max Planck aislaron nuevas bacterias del entorno de las raíces de Brassicaceae 191, álamos 135 y maíz 51. Los genomas de estos 377 aislamientos bacterianos, más 107 células bacterianas individuales adicionales de las raíces de A. thaliana, se secuenciaron, ensamblaron y anotaron en el JGI.
Luego, los autores combinaron los nuevos genomas con miles de genomas disponibles públicamente que representan los principales grupos de bacterias asociadas a plantas, e incluyeron bacterias de múltiples entornos vegetales y no vegetales, como el intestino humano, para comparar. La base de datos resultantede 3837 genomas, de los cuales 1160 son de plantas, se usaron en un análisis genómico comparativo.
Luego, los investigadores identificaron genes que están enriquecidos en los genomas de organismos asociados con plantas y raíces.
"Es muy importante para nosotros comprender qué genes y funciones usan los microbios para colonizar plantas porque solo entonces podríamos tener la oportunidad de idear racionalmente 'probióticos de plantas' útiles para ayudarnos a cultivar más alimentos y cultivos energéticos con menos insumos químicos comofertilizantes y pesticidas o fungicidas ", dijo el autor principal del estudio Jeff Dangl, investigador del Instituto Médico Howard Hughes y profesor de biología John N. Couch en la Universidad de Carolina del Norte en Chapel Hill
Entre las ideas clave obtenidas del estudio fue que los genomas asociados a plantas y suelos tienden a ser más grandes que los genomas de control del mismo clado. Esto se debió en parte al enriquecimiento de genes involucrados en el metabolismo y transporte del azúcar,probablemente una adaptación al carbono vegetal derivado de la fotosíntesis, generado por las "fábricas de dulces" de la naturaleza ", dijo Asaf Levy. Hasta el 20% del carbono fijado por las plantas a través de la fotosíntesis se exuda a través de las raíces como azúcares para atraer microbios".
También se identificaron numerosos genes que parecen imitar las funciones de las plantas, al codificar "Dominios de PA y RA que se asemejan a las plantas" o PREPARADOS. "Es bien sabido que los patógenos de las plantas usan proteínas que imitan los dominios de las plantas necesarios para la función inmune,"dijo Dangl." Imagine que el patógeno inyecta directamente en la célula de la planta una proteína que imita parte de una máquina del sistema inmunitario en particular. Es como poner un diente parcialmente defectuoso en una rueda: las ruedas ya no pueden girar. Consideramos quelos dominios de proteínas asociados a la planta que identificamos podrían funcionar de la misma manera "
Los genes que evolucionan rápidamente son a menudo una firma de una carrera armamentista molecular entre organismos que comparten un ambiente. Estos genes a menudo se usan en ofensa o defensa contra otros organismos. Dos nuevas familias de proteínas en rápida evolución asociadas con diferentes "estilos de vida" relacionados con plantas asociadasEn el estudio se identificaron bacterias. Una, que se encuentra en bacterias comensales, se denominó "Jekyll"; la otra, que se encuentra en bacterias patógenas, se llamaba "Hyde". Con colaboradores de Virginia Tech y ETH Suiza, los científicos de JGI descubrieron queestos últimos son muy eficientes para matar bacterias competidoras, potencialmente para ayudar a estos "Hydes" a hacerse cargo del nicho de la hoja. La Oficina de Innovación y Asociaciones IPO de Berkeley Lab ha presentado una solicitud de patente para esta familia como un posible mecanismo antibacteriano para controlar los fitopatógenos.
El catálogo completo de nuevos genomas y genes asociados a plantas está disponible para la comunidad investigadora a través de un portal web dedicado: Características genómicas de la adaptación bacteriana a las plantas.
"La base de datos es un recurso valioso para la comunidad investigadora que estudia las interacciones planta-microbio, ya que es una forma imparcial de identificar genes potencialmente interesantes involucrados en la interacción con una planta, incluidos muchos genes totalmente novedosos. Actualmente estamos estudiando experimentalmente la funciónde muchos de estos genes para obtener una mejor comprensión funcional del microbioma de la planta ", dijo Levy.
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Materiales proporcionado por DOE / Instituto Conjunto del Genoma . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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