CUANDO LAS PLANTAS Y SUS MICROBIOS NO ESTÁN SINCRONIZADOS, LOS RESULTADOS PUEDEN SER DESASTROZOS
Muchos de nosotros hemos oído hablar de la enfermedad intestinal inflamatoria, una afección debilitante que se asocia con una colección anormal de microbios en el intestino humano, conocida como microbioma intestinal. Mi laboratorio descubrió recientemente que, al igual que los humanos, las plantas también pueden desarrollar esta afección, conocida como disbiosis, con graves consecuencias.
Como parte de este estudio, mis colegas y yo descubrimos que algunos genes y procesos involucrados en el control de la disbiosis en plantas pueden ser similares a los de los humanos. El descubrimiento de la disbiosis en el reino vegetal abre nuevas posibilidades para estimular la innovación en la sanidad vegetal y la seguridad alimentaria mundial.
Como parte de este estudio, mis colegas y yo descubrimos que algunos genes y procesos involucrados en el control de la disbiosis en plantas pueden ser similares a los de los humanos. El descubrimiento de la disbiosis en el reino vegetal abre nuevas posibilidades para estimular la innovación en la sanidad vegetal y la seguridad alimentaria mundial.
Soy un microbiólogo de plantas interesado en cómo las plantas y los microbios interactúan entre sí. Aunque nuestra investigación en el pasado se ha centrado en los detalles moleculares de las infecciones patógenas, este trabajo llevó a mi laboratorio al fascinante mundo del microbioma vegetal.
Una planta sana de Arabidopsis de tipo salvaje (izquierda) y una planta mutante que sufre un desequilibrio microbiano (derecha). Sheng-Yang He, CC BY-SA
¿Las plantas tienen microbiomas?
Cuando los científicos dicen que las “bacterias intestinales” humanas deben estar bien equilibradas, se refieren al material genético de todos los microbios que viven en el sistema digestivo humano, o al microbioma intestinal. ¿Las plantas también tienen microbiomas? La respuesta es sí.
De hecho, las partes de la planta que crecen en la superficie, llamadas filosfera, y las partes que crecen debajo, llamadas rizosfera, proporcionan uno de los hábitats más grandes para la colonización de microbios en la Tierra. Ambos son vitales para la vida humana en la Tierra.
La filosfera absorbe dióxido de carbono para la fotosíntesis, que es necesario para generar biomasa y es una fuente primaria de alimentos, combustibles, fibras y medicamentos. La fotosíntesis también libera oxígeno para que los animales y los humanos respiren, por lo que a menudo se considera que las plantas son los pulmones de nuestro planeta. La rizosfera, por otro lado, absorbe agua y nutrientes del suelo.
Algunos microbios están asociados con las hojas y los brotes, mientras que otro grupo distinto vive entre las raíces. Sheng-Yang He, CC BY-SA
Numerosos estudios han demostrado que los microbios vegetales ayudan a las plantas a extraer nutrientes del suelo y hacer frente a la sequía, los patógenos, los insectos y otras tensiones.
Los estudios ecológicos también han señalado que cuanto mayor es la diversidad de microbios que viven en las hojas de las plantas, más productivas parecen ser las plantas.
Hoy en día, la mayoría de los científicos de plantas creen que las estrategias globales para garantizar la productividad de los cultivos y la seguridad alimentaria deben considerar el microbioma de las plantas. La Organización de las Naciones Unidas para la Agricultura y la Alimentación estima que hasta el 40% de los cultivos alimentarios se pierden anualmente debido a plagas y enfermedades de las plantas, y la Asamblea General de las Naciones Unidas declaró 2020 como el Año Internacional de la Sanidad Vegetal.
¿Cómo mantienen las plantas la microbiota sana?
Dada la importancia de la microbiota, la comunidad específica de microbios que viven en las plantas o cerca de ellas, para la salud de las plantas, razonamos que las plantas deben haber desarrollado una red genética sofisticada para seleccionar la combinación correcta de microbios.
Si eso es cierto, entonces saber qué genes de las plantas influyen en los tipos de microbios que rodean a la planta podría orientar la investigación futura para optimizar los microbiomas de las plantas para ayudar a que las plantas crezcan mejor, sean más fuertes y produzcan más biomasa y rendimiento.
Si eso es cierto, entonces saber qué genes de las plantas influyen en los tipos de microbios que rodean a la planta podría orientar la investigación futura para optimizar los microbiomas de las plantas para ayudar a que las plantas crezcan mejor, sean más fuertes y produzcan más biomasa y rendimiento.
De hecho, mi grupo ha identificado ahora algunos de estos genes "que controlan la microbiota" en la planta modelo Arabidopsis thaliana.
Descubrimos que varios genes involucrados en la inmunidad de las plantas y el equilibrio hídrico son fundamentales para seleccionar y mantener una microbiota saludable dentro de las hojas de las plantas de Arabidopsis.
Descubrimos que varios genes involucrados en la inmunidad de las plantas y el equilibrio hídrico son fundamentales para seleccionar y mantener una microbiota saludable dentro de las hojas de las plantas de Arabidopsis.
Cuando eliminamos estos genes identificados de las plantas, los mutantes de la planta Arabidopsis no podían albergar la mezcla correcta de microbios y mostraban síntomas de disbiosis, incluidas hojas muertas o amarillentas. Hasta donde sabemos, esta fue la primera vez que se documentaron causalmente los efectos negativos de la disbiosis en el reino vegetal.
Características interesantes de las plantas "enfermas"
Mis colegas y yo observamos algunas características notables de disbiosis en nuestras plantas mutantes de Arabidopsis.
Primero, los mutantes de disbiosis tienden a tener un nivel anormalmente alto de microbios que viven dentro de las hojas.
Primero, los mutantes de disbiosis tienden a tener un nivel anormalmente alto de microbios que viven dentro de las hojas.
Una hoja de una planta sana de Arabidopsis (izquierda) y una hoja de una planta mutante disbiosis (derecha). Sheng-Yang He, CC BY-SA
En segundo lugar, hay un cambio drástico en la diversidad de microbios. Por ejemplo, en las hojas normales de las plantas de Arabidopsis, hay todo tipo de bacterias viviendo dentro de la hoja. Por el contrario, la diversidad general de bacterias se reduce en gran medida en los mutantes disbióticos, lo que sugiere que las plantas sanas promueven la diversidad microbiana, presumiblemente para aumentar los beneficios para la salud de las plantas.
En tercer lugar, mientras que las bacterias que pertenecen al filo Fermicutes son abundantes dentro de las hojas de Arabidopsis de tipo salvaje, la abundancia se reduce significativamente en nuestros mutantes genéticos. Además, vimos un aumento dramático en la cantidad de bacterias dañinas dentro de las hojas mutantes de disbiosis. Nos parece interesante que algunos de estos cambios en la microbiota también se observen en pacientes humanos con enfermedad inflamatoria intestinal, lo que sugiere paralelos conceptuales en el desarrollo de disbiosis en humanos y plantas.
¿Que sigue?
Estamos entusiasmados con nuestra identificación de varios genes y procesos vegetales involucrados en la prevención de la disbiosis. Los genes que controlan la microbiota que identificamos en Arabidopsis se encuentran en los genomas de muchas otras plantas, lo que sugiere que nuestros hallazgos pueden tener una amplia aplicabilidad.
En el futuro, podríamos experimentar con el cambio de estos genes del huésped, lo que puede conducir a enfoques basados en la microbiota que mejoren la salud de las plantas. Por ejemplo, las tecnologías de edición de genes podrían usarse para crear un bioma saludable en las hojas de las plantas mejorando la expresión de genes específicos.
Se puede formular un microbioma sano sintético como probiótico para prevenir la disbiosis en las plantas, de la misma forma que se ha prometido que los probióticos mejorarán la salud del microbioma intestinal humano.
Es de destacar que las mutaciones en genes relacionados con el sistema inmunológico de una persona son un factor de riesgo bien conocido para el desarrollo de enfermedad intestinal inflamatoria en humanos. Quizás, la investigación futura encontrará características más compartidas en cómo las plantas y los humanos interactúan con sus respectivas microbiotas para prevenir enfermedades.
La facilidad de los estudios genéticos en plantas, como Arabidopsis, también ofrece la posibilidad de que los investigadores puedan identificar más genes involucrados en la preservación de la salud de la microbiota en personas y plantas.
Agradecemos a The Coversation la licencia de esta publicación.
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