Los girasoles no son sólo hermosos símbolos del verano:también son económicamente importantes, ya que se ubican como el cuarto cultivo de semillas oleaginosas más importante del mundo, y una nueva investigación sugiere que algunas bacterias podrían ayudar a proteger el cultivo de la destrucción del moho blanco.
Los girasoles se pueden cosechar para una serie de productos, incluidas semillas y aceite, cuya demanda de los consumidores ha aumentado significativamente en los últimos años. Los investigadores señalan que también pueden contribuir a la resiliencia climática, ya que pueden adaptarse a diversas condiciones climáticas y los brotes de girasol contienen nutrientes que pueden promover la salud humana.
Desafortunadamente, como muchas otras plantas, los girasoles son susceptibles a enfermedades que pueden provocar importantes pérdidas en las cosechas. Por ejemplo, el moho blanco, causado por el hongo patógeno Sclerotinia sclerotiorum, es responsable de pérdidas promedio anuales en las cosechas de girasol de más del 1%. También puede afectar a judías, berenjenas, lechugas, cacahuetes, patatas y soja, destruyendo en algunos casos el 100% de los cultivos.
Si bien el enfoque para controlar enfermedades como el moho blanco normalmente se ha centrado en la genética vegetal, un estudio publicado en Molecular Ecology y dirigido por investigadores de la Universidad de Colorado Boulder sugiere que las comunidades de organismos microscópicos alrededor de las raíces de las plantas también desempeñan un papel importante y que la variación genética de las plantas, de hecho, afecta los microbiomas asociados.
La investigación incluyó un estudio en invernadero, así como un experimento de campo que los investigadores realizaron utilizando diferentes razas de girasoles cuyo ADN extrajeron y secuenciaron.
Se cultivaron veinte plantas de cada variedad de girasol en un solo campo que los investigadores esperaban que contuviera microbios hostiles al patógeno Sclerotinia. Algunas de las plantas estaban infectadas, mientras que otras no, lo que era necesario para distinguir entre los microbios que eran relevantes para el estudio y los que se aprovechaban de la muerte del tejido causada por Sclerotinia.
En el experimento de invernadero, los girasoles se cultivaron en tierra extraída del mismo entorno utilizado en el experimento de campo, la mitad del cual había sido esterilizado para eliminar los microbios.
Las plantas fueron infectadas y evaluadas para determinar su resistencia a la enfermedad, lo que permitió a los investigadores determinar la importancia de los microbios en los resultados que experimentaron diferentes razas de girasol en el experimento de campo. Si los girasoles cultivados en suelo estéril fueran menos resistentes a las enfermedades, esto demostraría que los microbios estaban confiriendo resistencia a las enfermedades a sus plantas.
Los investigadores descubrieron que 42 tipos de microbios estaban asociados con la resistencia a las enfermedades. El experimento en invernadero demostró que estos microbios son muy importantes para la resistencia de las plantas a las enfermedades, ya que los girasoles en suelo estéril murieron hasta 19 días antes que sus homólogos.
A continuación, se asoció la abundancia de los microbios principales con las características genéticas de las diferentes plantas, y los investigadores encontraron que ciertos genes correspondían a una mayor abundancia de los microbios.
Todo esto sugiere que diferentes razas de girasol se han adaptado genéticamente para aumentar la cantidad de microbios útiles en el suelo cercano y así mejorar su resistencia al moho blanco, concluyeron los investigadores. Dado que la asociación entre planta y microbio es genética, se puede heredar y por tanto es posible cultivar esta resistencia mediante mejoramiento genético, entre otros métodos.
Antes del estudio, no estaba claro cuánto efecto tienen las comunidades microbianas en la resistencia a las enfermedades de las plantas, dice Nolan Kane, profesor asociado de ecología y biología evolutiva de CU Boulder y destacado investigador del girasol.
"Ciertamente hay algunos casos documentados de que esto es importante", dice, "pero para la mayoría de los patógenos, las plantas tienen el alelo correcto en este gen y serán resistentes a ese patógeno, y si no tienen el alelo correcto, entonces serán susceptibles.
"(Los seres humanos) tienen un sistema inmunológico muy complejo que puede reconocer nuevas proteínas todo el tiempo. Las plantas tienen un sistema inmunológico muy diferente que a menudo se simplifica a un solo gen que detecta el patógeno. Si la proteína patógena es una versión del gen puede detectar, entonces la planta será resistente, pero si no hay la combinación adecuada, la planta será susceptible."
A diferencia del sistema inmunológico humano, el sistema inmunológico de las plantas no mantiene registros de todos los microbios que han combatido. En cambio, reconocen patrones moleculares asociados con enfermedades utilizando receptores especializados. Cada tipo de receptor sólo puede interactuar con moléculas de formas particulares, que encajan como piezas de un rompecabezas. Una vez que se realiza este contacto, el receptor envía una señal de respuesta de defensa.
En el caso de los girasoles que estudiaron Kane y sus colegas investigadores, al menos para Sclerotinia, las cosas son más complicadas. "Este fue un caso en el que realmente pensamos que podría haber un papel importante para el microbioma o algún otro componente ambiental", dice Kane. Como descubrieron los investigadores, cuatro tipos de bacterias estaban fuertemente correlacionadas con la resistencia de los girasoles al hongo patógeno, lo que sugiere que su intuición era correcta.
Sin embargo, dice Kane, "Había muchos microbios que estaban correlacionados entre sí", lo que significa que el efecto podría ser el resultado de toda la comunidad y no sólo de estos cuatro tipos de bacterias, que se denominan unidades taxonómicas operativas (OTU).
Aún así, continúa Kane, "las cuatro que destacamos están más fuertemente correlacionadas con la resistencia a patógenos, y cuando controlamos esas cuatro, ninguna de las otras OTU correlacionadas fue significativa en asociación con la enfermedad", aunque las cuatro bacterias principales probablemente no pudieron mejorar la resistencia a las enfermedades individualmente, ya que "muchos de estos microbios no crecen muy bien por sí solos o no se comportan de la misma manera cuando se cultivan solos".
Los investigadores descubrieron que cuantas más de estas cuatro bacterias había en el suelo alrededor de las plantas, mejor les iba contra Sclerotinia sclerotiorum. Entonces, ¿cómo pueden las plantas aprovechar estas bacterias y qué tiene esto que ver con la genética vegetal?
Resulta que las plantas pueden cultivar una comunidad de microbios útiles en el área del suelo alrededor de sus raíces, que se conoce como rizosfera.
"En general, hay compuestos que las plantas pueden secretar y que inhiben ciertos microbios o promueven su crecimiento", explica Kane. La fotosíntesis, el proceso que utilizan las plantas para convertir la luz en energía utilizable, produce muchas moléculas de carbohidratos como azúcares y almidones.
Por esta razón, dice Kane, "muchas de sus interacciones con los microbios involucran azúcares o carbohidratos proporcionados por las plantas, y las plantas se benefician al recuperar nitrógeno o alguna otra cosa que necesitan".
Las plantas tienen tipos similares de relaciones simbióticas con los hongos que se benefician al promoverlas. El nitrógeno es sólo un ejemplo de los beneficios que las plantas obtienen de sus relaciones simbióticas:"En el estudio que hicimos, no sabemos si es necesariamente el mismo mecanismo, pero es probable que haya algún tipo de exudado de las raíces que esté dando forma el microbioma", dice Kane. "Ese es uno de los mecanismos clave que utilizan las plantas".
La forma en que las plantas interactúan con los microbios de la rizosfera depende de sus genes. Por este motivo, los investigadores pudieron asociar los cuatro tipos de bacterias con partes muy específicas del código genético de los girasoles.
El estudio también tuvo otros hallazgos importantes. Demostró que cuatro de las 40 muestras de girasol estudiadas resistieron a la Sclerotinia incluso sin la protección de bacterias beneficiosas. Se desempeñaron peor en suelo esterilizado que en suelo con bacterias, pero obtuvieron resultados significativamente mejores que las otras muestras.
"Eso podría ser algún tipo de capacidad para responder al patógeno de manera protectora", dice Kane. "Todavía no sabemos si ese sería un objetivo de reproducción útil porque podría haber compensaciones o podría tener efectos protectores limitados o nulos en condiciones normales". Aún así, "muestra que toda la historia no se trata sólo de los microbios. Hay un componente importante, aunque sea más pequeño, relacionado con la genética inherente de las plantas".
La investigación inspiró más preguntas sobre los costos y beneficios de la simbiosis con los microbios, los mecanismos moleculares responsables de la variación de la simbiosis y la importancia de las interacciones entre el genotipo y los factores ambientales.
Kane dice que él y sus colegas de investigación "están analizando algunas de estas líneas en entornos más diversos en los EE. UU. y tratando de identificar si estas asociaciones microbianas son muy generales en una amplia gama de entornos o si son muy específicas de solo uno". ambiente."
Dado que estos estudios se llevan a cabo en los campos de los agricultores, las plantas examinadas no estarán expuestas a patógenos. En cambio, los investigadores se centrarán en las asociaciones de las plantas con los microbios, afirma Kane.
De manera similar, Kane dice:"Ver estos efectos genéticos en este entorno en tantos microbios diferentes fue realmente emocionante porque sugiere que los girasoles que utilizamos en este estudio tienen alguna variación interesante que podría asociarse con una amplia gama de rasgos diferentes que No lo analizamos, pero sería realmente emocionante verlo en trabajos futuros".
Muchos cultivos han perdido algunas de sus asociaciones microbianas a través del mejoramiento, dice Kane, pero eso no fue un problema con la población del estudio, lo que lo hace potencialmente valioso para futuras investigaciones.
Sin embargo, el estudio aún proporciona una idea de cómo las asociaciones microbianas podrían usarse para proteger a las plantas por sí solas. La forma más sencilla de hacerlo es mediante el cultivo selectivo de plantas para los genes correspondientes a una mayor abundancia de microbios útiles en la rizosfera.
"Además de la reproducción", explica Kane, "diferentes prácticas agrícolas y ambientales podrían promover comunidades útiles o inhibir comunidades dañinas". En los casos en los que los microbios útiles aún no estén presentes, aplicarlos a los campos también podría ser importante.
"Probablemente sería una combinación de más de una de esas cosas diferentes", dice Kane. Hay algunas empresas de biotecnología que ya están trabajando en "brebajes" microbianos beneficiosos para algunos cultivos, que podrían aplicarse a los campos o recubrirse con semillas de plantas.
Este estudio "podría ayudar, ciertamente con el mejoramiento de girasoles", concluye Kane, pero también "ayudarnos a comprender cómo criar otras especies de manera más efectiva, y también algo de ciencia básica no solo sobre cómo las plantas interactúan con su entorno, sino también sobre cómo interactúa toda la comunidad". debajo del suelo actúa para afectar esa interacción."
Más información: Cloe S. Pogoda et al, Las diferencias hereditarias en la abundancia de taxones de rizosfera bacteriana se correlacionan con la resistencia a patógenos necrotróficos de hongos, Ecología molecular (2023). DOI:10.1111/mec.17218
Información de la revista: Ecología molecular
Proporcionado por la Universidad de Colorado en Boulder
