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Las plantas controlan su propio microbioma para mantener la salud | Michigan State University

8 de abril 2020 – Michigan State University

En un nuevo estudio, publicado en la revista Nature, los científicos de la Universidad Estatal de Michigan muestran cómo los genes de las plantas seleccionan qué microbios viven dentro de sus hojas para mantenerse saludables.

Este es el primer estudio que muestra una relación causal entre la salud de las plantas y el ensamblaje de la comunidad microbiana en la filosfera: las porciones totales de plantas sobre el suelo. El trabajo sugiere que los organismos, desde las plantas hasta los animales, pueden compartir una estrategia similar para controlar sus microbiomas.

Los estudios de microbiomas son un tema candente en la ciencia de la salud humana. Cuando los científicos mencionan que las ‘bacterias intestinales’ humanas deben estar bien equilibradas, se refieren al microbioma intestinal, el material genético de todos los microbios que viven en los sistemas digestivos humanos.

«El campo del estudio de microbiomas de plantas a gran escala tiene solo una década», dijo Sheng Yang He, coautor principal del estudio, miembro del Laboratorio de Investigación de Plantas MSU-DOE e investigador del Instituto Médico Howard Hughes. «Queremos saber si las plantas necesitan un microbioma de filosfera correctamente ensamblado».

Genes vegetales: guardianes de los microbios

«En la naturaleza, las plantas son bombardeadas por millones de microbios», dijo He, un distinguido profesor universitario que tiene citas conjuntas en el Departamento de Biología Vegetal y el Departamento de Microbiología y Genética Molecular en la Facultad de Ciencias Naturales de la MSU. «Si se permite que todo crezca en las plantas, probablemente sería un desastre. Queremos saber si los números y los tipos de microbios importan, si existe una composición perfecta de microbios. Si es así, ¿tienen las plantas un sistema genético para alojar y nutrir el microbioma correcto?

Parece que las plantas lo hacen. El mecanismo recién descubierto involucra dos redes genéticas. Uno involucra el sistema inmune de la planta y el otro controla los niveles de hidratación dentro de las hojas. Ambas redes trabajan juntas para seleccionar qué microbios sobreviven dentro de las hojas de las plantas.

«Cuando eliminamos ambas redes de una planta, la composición del microbioma dentro de las hojas cambia», dijo. «Los números y la combinación de tipos de bacterias son anormales, y nuestro equipo ve síntomas de daño tisular en las plantas».

«Los síntomas son conceptualmente similares a los asociados con la enfermedad inflamatoria intestinal en humanos», dijo. «Esto se debe probablemente a que los genes involucrados son antiguos, en términos evolutivos. Estos genes se encuentran en la mayoría de las plantas, mientras que algunos incluso tienen similitudes con los involucrados en la inmunidad animal».

Según los científicos en el laboratorio de He, esta puede ser la primera vez que la enfermedad asociada a la disbiosis se describe formalmente en el reino vegetal. El hecho de que parezca conceptualmente similar a la salud humana sugiere un proceso fundamental en la vida.

Desarrollo de nueva tecnología para determinar la causalidad.

La razón por la que es difícil encontrar la causalidad en los estudios de microbiomas es porque es prácticamente imposible cortar el ruido de millones de microbios.

El laboratorio He ha trabajado en torno a este problema mediante el desarrollo de una cámara de crecimiento libre de gérmenes que llaman el sistema gnotobiótico, un entorno para criar organismos en el que todos los microorganismos son conocidos o excluidos.

«Muy pocas personas han cultivado una planta estéril en material estéril y rico en materia orgánica», dijo. «Nuestro sistema utiliza un sustrato a base de turba, básicamente tierra para macetas de invernadero. Usamos calor y presión para matar todos los gérmenes en el suelo, y las plantas pueden crecer bajo esta condición libre de gérmenes».

Luego, los investigadores pueden introducir microbios de manera controlada en este entorno.

«Puedes agregar una, dos o incluso una comunidad de bacterias», dijo. «En nuestro estudio, extrajimos una comunidad de bacterias de plantas disbióticas o enfermas, y las presentamos a nuestras plantas sanas, y viceversa. Descubrimos que tanto la composición del microbioma como los sistemas genéticos de las plantas son necesarios para la salud de las plantas».

Por ejemplo, una planta con genética defectuosa no podría aprovechar un microbioma trasplantado de una planta sana. El microbioma lentamente volvió al estado que causó la enfermedad.

Por otro lado, una planta sana expuesta al microbioma de una planta enferma también sufrió. Aunque tenía las herramientas genéticas para seleccionar los microbios correctos, la disponibilidad de microbios era limitada y anormal. La planta no pudo arreglar la situación.

Los niveles de microbios y la composición importan

Resulta que una mayor diversidad de microbiomas se correlaciona con la salud de las plantas. De alguna manera, los genes de las plantas son guardianes que fomentan esta diversidad.

Las plantas enfermas en el estudio tenían 100 veces más microbios en una hoja, en comparación con una planta sana. Pero la población era menos diversa. Para averiguar por qué, los científicos hicieron miles de enfrentamientos de bacterias uno a uno para descubrir qué cepas eran agresivas.

En las plantas enfermas, las cepas de proteobacterias, muchas de las cuales son dañinas para las plantas, aumentaron de dos tercios de la composición de un microbioma sano al 96% en la población anormal. Las cepas de Fermicutes, muchas de las cuales pueden ser útiles para las plantas, disminuyeron en número.

«Quizás, cuando la población de microbiomas es anormalmente mayor en esa planta enferma, los microbios están físicamente demasiado cerca el uno del otro», dijo. «De repente, pelean por los recursos, y los agresivos, en este caso dañinos, desafortunadamente ganan. Las plantas sanas parecen evitar que ocurra esta adquisición».

El panorama general: apoyar la salud de las plantas

El estudio es otro ejemplo de cómo la diversidad es importante para apoyar sistemas de vida saludables. Cada tipo de microbio puede impartir diferentes beneficios a las plantas, como una mayor inmunidad, tolerancia al estrés o absorción de nutrientes.

Los científicos como Él quieren poder manipular el sistema genético de la planta para reconfigurar el microbioma de la planta. Las plantas podrían ser más eficientes en la selección de sus socios microbianos y experimentar una mejor salud, resistencia y productividad de las plantas.

«Nuestro campo aún es joven», dijo. «La investigación de microbiomas tiende a centrarse en las bacterias intestinales humanas. Pero muchas más bacterias viven en las hojas de las plantas, los pulmones de nuestro planeta. Sería maravilloso entender cómo los microbios impactan la salud de la filosfera en los ecosistemas naturales y los campos de cultivo».

Credits: Scientists in the He lab who contributed to this study include former lab member Xiufang Xin and current lab members Tao Chen and Kinya Nomura. The work was funded by the National Institutes of Health, the Howard Hughes Medical Institute, the MSU Plant Resilience Institute, the U.S. Department of Energy Office of Science, and CAS Center for Excellence in Molecular Plant Sciences/Institute of Plant Physiology and Ecology, Shanghai, China.

Michigan State University

  1. Tao Chen, Kinya Nomura, Xiaolin Wang, Reza Sohrabi, Jin Xu, Lingya Yao, Bradley C. Paasch, Li Ma, James Kremer, Yuti Cheng, Li Zhang, Nian Wang, Ertao Wang, Xiu-Fang Xin, Sheng Yang He. A plant genetic network for preventing dysbiosis in the phyllosphereNature, 2020; DOI: 10.1038/s41586-020-2185-0

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