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La publicación del genoma humano a inicios de los 2000 permitió empezar a comprender cómo se ordenaban los genes y cómo se organizaba la estructura de los ADN no codificantes. En ese momento, la comunidad científica apuntó que, para entender completamente el funcionamiento del cuerpo humano, se necesitaba más que solo entender el genoma humano: debían comprender también el genoma de los microorganismos asociados al cuerpo humano. “Básicamente estamos viendo los microbiomas como un segundo genoma. El microbioma funciona como una extensión del genoma del hospedero”, dice el Dr. Rodrigo Mendes, investigador y científico senior de la Corporación Brasileña de Investigación Agrícola, Embrapa. “Esto es así para los humanos y también para las plantas”.
Dr. Rodrigo Mendes, investigador y científico senior de Embrapa.
El experto ha dedicado su carrera a estudiar las comunidades microbianas del suelo y las plantas, con el objetivo de comprender cómo el microbioma de la rizosfera influye en el crecimiento y la protección de cultivos. El Dr. Mendes explica que es posible comparar el microbioma del intestino humano con la rizosfera como el sistema digestivo de revés, ya que ahí se encuentra una suerte de capa de microorganismos que juegan un papel importante en las interacciones entre el mundo externo y el entorno del huésped. “Es intrigante pensar que hay tantas similitudes sorprendentes cuando vemos que el microbioma apoya el desarrollo y la salud de sus huéspedes”, sostiene el investigador sobre dos sistemas que se conforman según el genotipo y la edad del huésped.
LO QUE PASA BAJO TIERRA INCIDE DIRECTAMENTE EN EL DESARROLLO DE LAS PLANTAS
“Todos buscamos plantas con mejores rendimientos usando los mismos insumos. Tener un microbioma más eficiente en la rizosfera que es capaz de convertir los nutrientes, le permite transformar los insumos en biomasa vegetal”, explica el Dr. Mendes. Las complejas interacciones que establece la diversa vida microbiana del suelo con las plantas ayudan a entender el comportamiento de los cultivos sobre el suelo. Es, por ejemplo, lo que explica el concepto de suelos supresivos. “Son suelos donde tenemos un huésped susceptible, que en este caso es una planta, tienes el patógeno en el suelo, pero por alguna razón, no contraes la enfermedad”. La contraparte de un suelo supresivo es un suelo conductivo, en el que se dan las condiciones para el desarrollo de enfermedades.
En la imagen (figura 1) se puede observar un ensayo del Dr. Mendes en el que hicieron el mismo experimento en un suelo supresivo y un suelo conductivo, usando semillas de remolacha azucarera, que inocularon con el hongo fitopatógeno Rhizoctonia solani. En el caso del suelo conductivo vieron síntomas de ‘damping-off’ o ahogamiento, donde el hongo es capaz de causar una lesión en la planta e infectarla. “La diferencia entre ambos suelos es que el suelo supresivo tiene antecedentes de una infección previa, donde hubo un brote de Rhizoctonia y el productor siguió cultivando un monocultivo durante los años siguientes, y observó que la cantidad de enfermedad disminuía con los años”, dice el investigador de Embrapa.
Figure 01. Plántulas de remolacha azucarera inoculadas con el patógeno de suelo Rhizoctonia solani. En la imagen de la izquierda se observan plantas en suelo supresivo y en la de la derecha en un suelo conductivo. Imagen del Dr. Mendes.
Para un análisis más profundo de lo que sucede en suelos supresivos y conductivos, el Dr. Mendes pone como ejemplo los resultados del estudio metagenómico que aplicaron en el ensayo anterior. La incidencia de la enfermedad fue muy baja en el suelo supresivo, mientras que en el suelo conductivo fue mayor al 60%. Para demostrar que la naturaleza de la protección se debe a los microorganismos presentes, el experto alude a dos pruebas que realizaron. La primera consiste en tratar el suelo supresivo con radiación gamma o tratamiento térmico (80°C por 60 minutos). “Repetimos el tratamiento y el suelo tenía una cantidad de enfermedad comparable al suelo conductivo, así que podemos transformar un suelo supresivo en suelo conductivo cuando aplicamos un tratamiento térmico”.
Figura 2. Incidencia de infección por Rhizoctonia solani en distintos tipos de suelo. Fuente: Deciphering the rhizosphere microbiome for disease-suppressive bacteria. Mendes et al., Science 2011.
La segunda prueba para demostrar la protección microbiológica es hacer una transferencia de suelo. “En ese caso se pone un suelo conductivo con un 10% de suelo supresivo, lo que hacemos es transferir el microbioma. Cuando repetimos el experimento fuimos capaces de disminuir significativamente la cantidad de enfermedad en la mezcla”, explica el Dr. Mendes y agrega que para entender los beneficios de los suelos supresivos en los cultivos, es necesario ver el proceso desde su origen, es decir, desde que la planta emerge de la semilla.
EL GRITO DE AUXILIO
Lo primero que sucede cuando una semilla germina en el suelo, es que libera compuestos químicos que atraen microorganismos. “Existe una señalización y comunicación química que indica que hay una semilla creciendo y entonces esos microorganismos beneficiosos son atraídos al sistema”, dice Mendes. Pero los microorganismos patógenos, que también están en el suelo, entienden el mismo lenguaje y crecen hacia el sistema radicular, intentando infectar y matar la planta.
Lo que sucede en un suelo supresivo es que en el momento en que el hongo entra en contacto con la rizosfera de la planta, esta reacciona a la invasión del patógeno mediante dos mecanismos. Primero, la planta cambia el patrón de exudación en la rizosfera, llegando a microorganismos beneficiosos específicos, activando genes específicos en ellos, y protegiendo en consecuencia el sistema radicular contra la invasión patógena. “Existe esta capa de microorganismos en la rizosfera, que funciona como protección, blindando el sistema radicular contra la invasión del patógeno del suelo”, apunta el doctor en agronomía. Un punto interesante es que replicaron el mismo experimento con microorganismos endófitos, es decir, que viven dentro de la planta, y reaccionaron de la misma manera a la presencia del hongo en el sistema radicular.
“Esto es lo que podríamos llamar la hipótesis del grito de auxilio cuando la planta está siendo atacada”, postula el Dr. Mendes sobre el mecanismo de comunicación de la planta con el microbioma, que permite activar genes específicos que son capaces de ayudar a la planta frente a un ataque de patógenos. “Lo interesante de esto es que no solo aplica para la protección de las plantas, sino también para la nutrición. Cuando la planta está creciendo en condiciones limitadas de fósforo, por ejemplo, también es capaz de manipular los exudados de la raíz de una manera que le permite llegar a los microorganismos capaces de acceder al fósforo del suelo”. Lo mismo sucede en condiciones de estrés abiótico, como una sequía, donde la planta realiza el grito de auxilio para que los microorganismos acudan a ayudarla.
ESTRATEGIAS PARA MANIPULAR LOS MECANISMOS DE REACCIÓN DE LAS PLANTAS
Diversidad microbiana: Al comparar un suelo supresivo de uno conductivo, se observa una mayor diversidad de microorganismos. “Esto está claro porque si la planta es capaz de pedir ayuda y no tenemos suficiente diversidad para responder o para atender la demanda de la planta, no es capaz de reclutar microorganismos benéficos, como es el caso del suelo conductivo”. Mantener una elevada diversidad microbiana en los sistemas de producción es clave para que la planta pueda recurrir a las funciones específicas que le proporciona el microbioma del suelo.
Microorganismos benéficos: Cuando la planta modifica el patrón de exudación y el alcance a distintos microorganismos, se pueden seleccionar dichos microorganismos benéficos específicos, aislarlos en el laboratorio y reintroducirlos en el sistema, de manera que puedan proteger a la planta frente a una invasión fúngica. El Dr. Mendes hizo el experimento usando esta estrategia, donde aislaron varias bacterias y las reintrodujeron en un suelo conductivo, logrando restablecer la protección de la planta.
Figura 3. El grito de auxilio. Existen cuatro mecanismos para manipular el comportamiento de las plantas
frente al estrés biótico.
Señalización química: Para este mecanismo no es necesario aplicar una gran cantidad de microorganismos, ya que se puede utilizar la señalización química para desencadenar el proceso en la rizosfera. En el caso concreto de estudio, observaron que cuando Rhizoctonia solani se acerca al sistema radicular, produce ácido oxálico y la planta reacciona a este estrés reclutando microorganismos benéficos. El experimento en este caso no fue incorporar microorganismos, sino ácido oxálico para inducir la respuesta de la planta. “Esto nos dice que también podemos encontrar una forma de utilizar el lenguaje químico en la rizosfera para obtener los fenotipos que pretendemos para inducir respuestas en la planta”.
Plantas eficientes: Todos estos procesos e interacciones están regulados de alguna manera por la planta, lo que “nos hace pensar que tal vez hay plantas más o menos eficientes en la comunicación con los microorganismos bajo tierra”, dice el Dr. Mendes, que les permite responder de mejor manera frente al ataque de patógenos.
PROYECTO ‘BACK TO THE ROOTS’
Para responder a esta pregunta, varios científicos pusieron en marcha una iniciativa, ‘Back to the Roots’, en la que compararon parientes silvestres con cultivares modernos, para ver si los cambios en los antecedentes genéticos de las plantas, afectan de alguna manera a la capacidad de las plantas para reclutar microorganismos beneficiosos en la rizosfera. “Visitamos algunos bosques en los Andes para identificar frijoles comunes silvestres, y luego comparamos estos parientes silvestres con frijoles comunes que se venden en el supermercado en Colombia”, cuenta el investigador. Cuando cultivaron los diferentes materiales genéticos en suelo nativo, observaron un patrón completamente diferente del reclutamiento de microorganismos en la rizosfera.
Realizaron otro experimento usando trigo, originario de Irán, Turquía y Pakistán, de donde recolectaron variedades autóctonas que compararon con variedades de trigo generadas en programas de mejoramiento en Brasil en los años 40, 50, y algunos materiales obtenidos más recientemente. Luego utilizaron metagenómica para ver cómo esos diferentes materiales son capaces de ensamblar el microbioma en la rizosfera. “Nuevamente nos encontramos con que, si cultivas ese material genético en el mismo suelo y con las mismas condiciones, son capaces de reclutar comunidades de microorganismos completamente diferentes”.
Partiendo de la base que los microorganismos de la rizosfera son esenciales para el crecimiento, desarrollo y protección de las plantas, y sabiendo gracias a sus estudios que la domesticación y la cría de plantas podrían haber alterado la capacidad de la planta para comunicarse con microorganismos benéficos, surgió una nueva pregunta: ¿es posible rescatar estos rasgos genéticos de variedades silvestres y reintroducirlos en cultivares modernos?
En 2022, dos grupos de investigación, uno en Países Bajos con tomate, y otro en Escocia con cebada, relacionaron por primera vez los rasgos genéticos de las plantas con el reclutamiento de microorganismos específicos en la rizosfera. “Esto de alguna manera preparó el camino para hacer fitomejoramiento impulsado por el reclutamiento de microbiomas beneficiosos en la rizosfera”.
¿QUÉ ESPERAR DE LOS PRÓXIMOS DIEZ AÑOS?
Aún existe un número limitado de especies de microorganismos utilizados en sistemas agrícolas. En palabras del Dr. Mendes, en los próximos años se explorarán nuevas ramas del árbol de la vida que darán paso al descubrimiento de nuevas especies para incorporar en las prácticas agrícolas.
Además, revelar y comprender los mecanismos moleculares, permitirá desarrollar nuevas estrategias para manipular el sistema de producción. “Entender estos mecanismos moleculares bajo tierra es clave para darnos nuevas ideas y nuevas estrategias para explorar los rasgos beneficiosos del microbioma del suelo”, sostiene el investigador de Embrapa.
El experto además pronostica que en un futuro cercano se apostará por cultivos que sean eficientes desde el punto de vista del microbioma, es decir, que respondan efectivamente a estímulos externos, ya sea un patógeno, un déficit nutricional u otro.
Otro aspecto que el Dr. Mendes destaca, es la exploración del sistema o los microorganismos desde una perspectiva más funcional. “Cuando la planta está pidiendo ayuda, no está preocupada por el nombre del microorganismo, ni su taxonomía. La planta necesita redundancia funcional en el microbioma para ser ayudada por los microorganismos, es decir, un enfoque basado en rasgos”.
Además, la inteligencia artificial tomará un rol relevante en el estudio del microbioma y su comportamiento, donde la información del microbioma combinada con herramientas de inteligencia artificial, se usarán para predecir la salud de las plantas, su productividad y otros rasgos en los sistemas de producción.
