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Microorganismos que mitigan condiciones ambientales adversas

Microorganismos que mitigan condiciones ambientales adversas

Los microorganismos son capaces de mitigar las condiciones ambientales adversas como elevadas temperaturas y sequedad enfrentadas por los cultivos

 

Se sabe que la percepción de las plantas y las respuestas al estrés ambiental abarcan un conjunto complejo de mecanismos en los que está involucrado el microbioma. Científicos han demostrado que los microorganismos ayudan a controlar el flujo de agua de las plantas y, por lo tanto, la tolerancia a la sequía.

 

Beatriz Riverón, Bioquímico farmacéutica

Según el informe climático de las Naciones Unidas (ONU), la Tierra se está calentando antes de lo esperado. Entre las consecuencias de los fenómenos meteorológicos extremos, están ocurriendo con mayor frecuencia inundaciones, olas de calor y sequías. Si el escenario no se revierte, algunos de los efectos directos más frecuentes será una caída en la capacidad de producción de alimentos, señala esta organización.

Las plantas de cultivos se enfrentan continuamente a condiciones ambientales adversas que pueden afectar gravemente su productividad.

Como organismos sésiles, las plantas han desarrollado mecanismos genéticamente codificados para prosperar eficientemente en circunstancias desfavorables.

Los mejoradores han explorado la variabilidad genética asociada con la tolerancia al estrés por sequía y calor, que se encuentran entre los factores más limitantes para la producción de cultivos. Sin embargo, los rasgos de uso de agua codificados genéticamente por sí solos pueden no ser suficientes para que las plantas se adapten mejor a la restricción hídrica y a las condiciones de alta temperatura.

También se ha demostrado que las comunidades microbianas asociadas con las raíces, los tallos y las hojas de las plantas desempeñan un papel fundamental en la configuración de las respuestas de las plantas al estrés biótico y abiótico y en la modulación de la plasticidad fenotípica de las plantas.

Las plantas y su microbioma asociado han co-evolucionado durante un millón de años en condiciones ambientales adversas. Durante este proceso, la evolución puede haber favorecido a las plantas que reclutaron comunidades microbianas que afectaron positivamente su aptitud al proporcionar o modular funciones beneficiosas relacionadas con el equilibrio de fitohormonas, la adaptación a la sequía, la absorción de nutrientes y la supresión de enfermedades.

Este escenario implica que las plantas no pueden ser estudiadas como entidades aisladas sino como una unidad formada por la planta y su microbioma asociada, el holobionte. Sin embargo, con la excepción de algunos casos, como la fijación de nitrógeno y la producción de fitohormonas, hay poco conocimiento sobre otros modos en los que los microorganismos pueden influir en su desarrollo.

Las plantas inoculadas con microorganismos seleccionados muestran una reducción de la temperatura; fue demostrado que la presencia de una comunidad microbiana viva fue capaz de reducir hasta cuatro grados la temperatura de las hojas de las plantas de maíz sometidas a altas temperaturas ya que optimizan el flujo de agua y la transpiración de las hojas.

Ante la escasez de agua, las plantas inoculadas tuvieron una productividad tres veces mayor. Los microorganismos ayudan a controlar el flujo de agua de las plantas y, por lo tanto, la tolerancia a la sequía.

El descubrimiento allana el camino para el desarrollo de nuevas biotecnologías agrícolas que pueden garantizar la seguridad alimentaria durante la transición hacia una economía baja en carbono.

Cada vez más, se verifica que los hongos, las bacterias y las arqueas presentes en el suelo, la raíz, el tallo y las hojas de las plantas juegan un papel fundamental en el crecimiento, la productividad y las respuestas de las plantas en condiciones de variación ambiental, como la sequía y el calor. Lo que aún no se sabía es cómo se produce esta interacción y cómo estos seres invisibles afectan a las plantas.

Científicos, utilizaron una mezcla de cepas bacterianas muy abundantes y naturales de los microbiomas de la raíz y el núcleo del tallo de la caña de azúcar que demostraron colonizar de manera robusta diferentes órganos de plantas de maíz, mejorando la arquitectura de la raíz y aumentando la biomasa de las plantas jóvenes. Miembros de la comunidad colonizan enérgicamente las plantas y remodelan la microbiota residente.

Los constituyentes colonizadores fueron principalmente Agrobacterium sp, Streptomyces sp, Enterobacter sp, Asticcacaulis sp, Burkholderia sp, Dyella sp, Ensifer sp, Lysobacter sp, Microbacterium sp, Pantoea sp, Pedobacter sp, Sphingomonas sp, Stenotrophomonas sp entre algunas otras.

Se construyó una plataforma de sensores capaces de medir la temperatura, el flujo de agua, la fotosíntesis y varios otros parámetros de las plantas y el medio ambiente, en tiempo real.

El calentamiento excesivo conduce a disfunciones de proteínas como por ejemplo una reducción de las actividades enzimáticas, como mostrado para el complejo RuBisCO (enzima ribulosa-1,5-bisfosfato carboxilasa/oxigenasa, se utiliza en el ciclo de Calvin para catalizar el primer paso importante de la fijación de carbono), y otras moléculas en las plantas, lo que perjudica su crecimiento. La comunidad de microorganismos inoculada funciona como “antipirético».

Los estudios destacan que tanto las plantas inoculadas como las no inoculadas tienen el mismo desempeño en términos de productividad en condiciones normales de riego. Sin embargo, ante la escasez de agua, las plantas inoculadas presentan una productividad tres veces mayor. La inoculación con una población de bacterias seleccionadas funciona como un “seguro” para la planta en caso de sequía extrema. Ante el escenario de escasez de agua, los microorganismos en función de su robustez logran garantizar su salud y reducir las pérdidas causadas por la deshidratación.

Dado que la transpiración de la planta se ve directamente afectada por la apertura de los estomas, el flujo de savia se usa a menudo para monitorear el estado hídrico de la planta. Cuando éste es bajo, la savia del xilema transporta moléculas de señalización desde las raíces a los brotes que indican reducir el crecimiento y la transpiración de las plantas. La optimización del uso de agua y el mantenimiento de la turgencia celular puede estar asociada con la producción de osmolitos (pequeñas moléculas orgánicas que contrarrestan el estrés ambiental en los organismos vivos) inducida por la inoculación de la población microbiana.

Los osmolitos vegetales incrementan la entrada de agua en las células, por lo que desempeñan un papel en el mantenimiento de la turgencia celular. Los microorganismos también pueden estimular la producción de osmolitos de las plantas para su propio beneficio, ya que están enriquecidos en transportadores de tipo ABC para los aminoácidos prolina, glicina y betaína, y azúcares, entre otros compuestos (los transportadores ABC a menudo constan de múltiples subunidades de proteínas transmembrana en que están presentes moléculas de ATPasa que hidrolizan el trifosfato de adenosina, ATP, para proporcionar la energía para la translocación de sustratos a través de las membranas).

Otro mecanismo bacteriano asociados con la tolerancia en las plantas es la producción de exopolisacáridos que aumenta el contenido relativo de agua de las hojas, mejorando así la aptitud de la planta bajo condiciones de sequía. Los grupos bacterianos presentes usados en la inoculación están enriquecidos en genes relacionados con la producción de estos polímeros.

Por otro lado, el perfil microbiano de la raíz reveló un cambio en la composición microbiana del suelo/semilla de las plantas inoculadas, lo que sugiere una remodelación de la microbiota natural.

Los hallazgos en estos estudios sugieren que, aunque los mecanismos moleculares de las interacciones planta-microorganismos colonizadores aún no se han dilucidado totalmente, una mejor comprensión de las respuestas de los rasgos funcionales de los cultivos a la sequía en su presencia, puede proporcionar evidencias de su potencial para mejorar el rendimiento de los cultivos.

 

Fuentes
Armanhi J. S L.; de Souza, R. S. C.; Biazotti, B. B.; Yassitepe, J. E. C. T.; Arruda, P. (2021).
Modulating Drought Stress Response of Maize by a Synthetic Bacterial Community.
Front. Microbiol., 21.

Theodoulou , F. L.; Kerr, I. D. (2015).
ABC transporter research: going strong 40 years on.
Biochem Soc Trans, 43(5):1033-40.

Imagen
https://www.researchgate.net/figure/Figura-1-Plantas-de-maiz-Zea-mays-L-Fuente-wwwspaincenterorg-agricultura-maizhtm_fig1_311923885
Acceso el 13/02/2022.

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