Investigadores del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley del Departamento de Energía Berkeley Lab y UC Berkeley descubrieron que a medida que las plantas se desarrollan crean su microbioma de raíz, favoreciendo a los microbios que consumen metabolitos muy específicos. Su estudio podría ayudar a los científicos a identificar formas de mejorar el suelomicrobioma para mejorar el almacenamiento de carbono y la productividad de la planta.
"Durante más de un siglo, se sabe que las plantas influyen en la composición de su microbioma del suelo, en parte a través de la liberación de metabolitos en el suelo que rodea sus raíces", dijo la investigadora postdoctoral del Berkeley Lab, Kateryna Zhalnina, autora principal del estudio."Hasta ahora, sin embargo, no se entendía si el contenido de este cóctel liberado por las plantas se correspondía con las preferencias de alimentación de los microbios del suelo de una manera que permitiera a las plantas guiar el desarrollo de su microbioma externo".
El estudio, "La química del exudado radical de la raíz y las preferencias del sustrato microbiano impulsan los patrones en el ensamblaje de la comunidad microbiana de la rizosfera", acaba de publicarse en la revista Microbiología de la naturaleza . Los autores correspondientes fueron los científicos de Berkeley Lab, Trent Northen y Eoin Brodie.
Los microbios dentro del suelo mejoran la capacidad de las plantas para absorber nutrientes y resistir la sequía, las enfermedades y las plagas. Median en la conversión de carbono del suelo, afectando la cantidad de carbono almacenado en el suelo o liberado a la atmósfera como dióxido de carbono. La relevancia de estas funcionesa la agricultura y el clima se observan como nunca antes.
Solo un gramo de suelo contiene decenas de miles de especies microbianas. Los científicos saben desde hace tiempo que las plantas impactan la composición del microbioma del suelo en el área que rodea sus raíces al enviar químicos metabolitos. Trabajo previo de Mary Firestone, Berkeley LabEl científico de la facultad y profesor de microbiología en UC Berkeley, había demostrado que las plantas seleccionaban o suprimían constantemente los mismos tipos de microbios a lo largo del tiempo en la zona de la raíz, lo que sugiere alguna forma de sincronización entre el desarrollo de la planta y el microbioma.
Sin embargo, se han realizado pocas investigaciones sobre la relación entre los metabolitos específicos que liberan las plantas y los microbios que los consumen. El nuevo estudio reunió a expertos en ciencias del suelo, genómica microbiana y vegetal y metabolómica para explorar estas conexiones metabólicas potenciales. Su estudio tomóuna mirada cercana a la rizosfera de un pasto anual Avena barbata común en California y otros ecosistemas mediterráneos.
El equipo de Berkeley Lab sintió que había llegado el momento de hacerlo. A medida que aumenta la presión para que los agricultores cultiven suficientes cultivos saludables para satisfacer las crecientes necesidades de la población, y para nuevas estrategias de gestión de la tierra que mejoren el almacenamiento de carbono del suelo para reducir el CO2 atmosférico y producir productos saludables.suelos, el microbioma del suelo es objeto de una investigación científica más profunda que nunca.
Los investigadores se propusieron determinar la relación entre los microbios que florecían constantemente cerca de las raíces de la hierba y los metabolitos liberados por la planta. Su primer paso fue recolectar el suelo del Centro de Investigación y Extensión Hopland de la Universidad de California en el norte de California. Brodie,subdirector de la División de Ciencias del Clima y Ecosistemas de Berkeley Lab, y su grupo utilizó lo que sabían sobre los estilos de vida de estas bacterias del suelo para desarrollar medios de crecimiento microbianos especializados para cultivar cientos de especies bacterianas diferentes. Luego seleccionaron un subconjunto que floreció o disminuyó comolas raíces crecieron a través del suelo.
Esta colección de microbios se envió luego al Joint Genome Institute JGI, una instalación de usuarios de la Oficina de Ciencia del DOE, donde se secuenciaron sus genomas para proporcionar pistas sobre por qué sus respuestas a las raíces diferían. Este análisis sugirió que la clave parael éxito para los microbios que prosperaron en la rizosfera fue su dieta.
Northen, científico senior en la División de Genómica Ambiental y Biología de Sistemas de Berkeley Lab, está fascinado por la química de los microbiomas, y su grupo ha desarrollado enfoques exometabolómicos avanzados basados en la espectrometría de masas para dilucidar las interacciones metabólicas entre organismos. Zhalnina y Northen combinaron su experiencia paraidentifica qué preferían comer los microbios más exitosos que rodean las raíces de los pastos de Avena.
Utilizando una configuración hidropónica en el JGI, sumergieron las plantas en diferentes etapas de desarrollo en agua para estimularlas a exudar sus metabolitos, luego midieron los metabolitos que liberan las plantas mediante espectrometría de masas. Posteriormente, los microbios del suelo cultivados fueron alimentados con un cóctelde los metabolitos de la raíz, y los investigadores usaron espectrometría de masas para determinar qué microbios preferían qué metabolitos.
Descubrieron que los microbios que florecían en el área alrededor de las raíces de las plantas preferían una dieta más rica en ácidos orgánicos que los microbios menos exitosos en la comunidad.
"Al principio de su ciclo de crecimiento, la planta emite muchos azúcares, 'dulces', que encontramos como muchos de los microbios", dijo Northen. "A medida que la planta madura, libera una mezcla más diversa de metabolitos, incluidos los ácidos fenólicos. Lo que descubrimos es que los microbios que se vuelven más abundantes en la rizosfera son aquellos que pueden usar estos metabolitos aromáticos ".
Brodie describe estos ácidos fenólicos como compuestos muy específicos liberados por las plantas a lo largo de su desarrollo. Los ácidos fenólicos a menudo se asocian con las defensas de las plantas o la comunicación planta-microbio. Esto le indica a Brodie que a medida que establecen la comunidad microbiana dentro de la rizosfera, las plantas podrían serexudan metabolitos como los ácidos fenólicos para ayudarlos a controlar los tipos de microbios que prosperan alrededor de sus raíces.
"Hemos pensado durante mucho tiempo que las plantas están estableciendo la rizosfera más adecuada para su crecimiento y desarrollo", dijo Brodie. "Debido a que hay tantos tipos diferentes de microbios en el suelo, si las plantas liberan cualquier químicopodría ser perjudicial para su salud.
"Al controlar los tipos de microbios que prosperan alrededor de sus raíces, las plantas podrían estar tratando de protegerse de los patógenos menos amigables mientras promueven otros microbios que estimulan el suministro de nutrientes".
Zhalnina, Firestone, Northen y Brodie creen que sus hallazgos tienen un gran potencial para influir en la investigación científica y aplicada adicional. Zhalnina señala que el gobierno y la industria están llevando a cabo una gran cantidad de investigación y desarrollo para aprovechar el poder de los microbios que mejoran las plantasrendimiento y calidad del suelo para ayudar a satisfacer las crecientes demandas de la sociedad de un suministro sostenible de alimentos.
Ella dijo: "Es emocionante que potencialmente podamos usar la química propia de la planta para ayudar a nutrir los microbios beneficiosos dentro del suelo. El crecimiento de la población, especialmente, ha creado una demanda para identificar formas más confiables de manipular el microbioma del suelo para un resultado beneficioso".
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por DOE / Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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