Un querido colega nos comparte el presente artículo escrito por Shannon Brescher Shea, publicado el 12 de septiembre de 2024 por el US Department of Energy y traducido por nosotros para este espacio. Veamos de que se trata…

Si observa un estanque de agua dulce, es posible que vea pequeñas plantas verdes con hojas ovaladas flotando en grupos. En los estanques con mucha vegetación, estas plantas cubren la superficie del agua. Estas plantas, llamadas lentejas de agua, pueden crecer tan rápido que pueden duplicar su número en solo uno o dos días. Pero lo que no puede ver en ese estanque es la batalla evolutiva entre las plantas y los microbios que intentan invadirlas.

Las plantas dependen en gran medida de los microbios que las rodean. La comunidad de bacterias, virus, hongos y otros microbios que acompañan a una planta se llama microbioma.

Los microbiomas suelen ser específicos de un tipo de planta en una ubicación particular. A menudo hay microbios beneficiosos que forman parte del microbioma de una planta. Pero al mismo tiempo, hay microbios patógenos de los que las plantas necesitan defenderse. Comprender cómo se defienden las plantas contra los patógenos (o no) podría ayudar a los científicos a saber cómo manipular mejor los microbiomas para beneficiar a los cultivos bioenergéticos.

Los científicos respaldados por la Oficina de Ciencia del Departamento de Energía están investigando cómo las bacterias interactúan con las hormonas de las plantas y afectan su crecimiento.

Un enfrentamiento evolutivo

Una de las líneas de defensa de las plantas contra los microbios son sus estomas. Las estomas son pequeños poros en las hojas, tallos, flores y raíces de las plantas que se abren y se cierran para absorber dióxido de carbono y dejar salir oxígeno y agua. Actúan como puertas de una ciudad. Al igual que las puertas, las estomas crean una barrera física para las bacterias invasoras. La planta tiene hormonas que regulan si las células guardianas mantienen los estomas abiertos o cerrados. Sin embargo, ciertas bacterias pueden piratear este sistema.

Otro jugador clave en este ir y venir evolutivo son las hormonas vegetales llamadas auxinas. Las auxinas son una clase importante de hormonas que afectan el crecimiento y el desarrollo de las plantas. La auxina más común en la naturaleza se llama ácido indol-3 acético, o IAA, por sus siglas en inglés.

En las plantas, el IAA afecta la longitud de las células, la reacción de las plantas a la dirección de la gravedad y la estructura de las raíces. Para protegerse contra los patógenos, las plantas pueden reducir el impacto del IAA. Debido a que las plantas necesitan crecer y defenderse, es importante que aumenten o disminuyan el IAA cuando sea necesario.

Pero, como sucede tan a menudo en la evolución, algunas bacterias han encontrado una grieta en esta defensa. Las bacterias que se encuentran en asociación con las plantas también producen IAA y lo hacen de manera similar a las plantas. Como parte de ese proceso, algunas de esas bacterias desarrollaron una anulación del control del IAA de las plantas. Producen suficiente IAA para afectar las vías químicas y el crecimiento de las plantas.

Las plantas que tienen vías de auxina afectadas por estas bacterias desarrollan raíces primarias más cortas que las que no las tienen. También desarrollan más raíces que corren paralelas a la superficie del suelo y tienen más pelos radiculares (las diminutas células radiculares que brotan de la capa superficial de la raíz).

Un vistazo al proceso

Estas luchas evolutivas son más que una maravilla ecológica. También son importantes para la productividad de los cultivos bioenergéticos, la productividad agrícola y la conservación. Trazar un gráfico de cómo, cuándo y dónde las bacterias producen hormonas vegetales puede ayudar a los científicos a entender cómo se adaptan las plantas a los entornos cambiantes.

Aumentar la producción de una hormona específica a partir del microbioma de una planta o crear un microbioma sintético podría ayudar a los agricultores a mejorar el crecimiento de los cultivos. Saber cómo los patógenos afectan el crecimiento de las raíces y la biomasa general podría permitir a los científicos evitar esos problemas al cultivar esas plantas para producir biocombustibles.

Para investigar esta relación, investigadores de la Universidad Rutgers, la Universidad de Tennessee y la Universidad de Carolina del Norte en Chapel Hill estudiaron la lenteja de agua. El género de plantas conocido como lenteja de agua es extremadamente común y está bien estudiado. Los científicos tienen mucha información sobre su genética, incluidas las variaciones en las secuencias de ADN entre diferentes poblaciones de lenteja de agua.

En un estudio anterior, el grupo tomó muestras del microbioma de las lentejas de agua en estado silvestre y descubrió que era similar al de muchas plantas comunes. De las 47 cepas bacterianas que analizaron, casi el 80 % produjo compuestos similares al IAA. Con el apoyo de científicos del Laboratorio de Ciencias Moleculares Ambientales (una instalación de la Oficina de Ciencias del DOE), el equipo inoculó plántulas de lenteja de agua con 21 de esas cepas.

Algunas de las plántulas tratadas tenían un crecimiento radicular "de tipo silvestre" normal. Algunas plantas tenían otras cepas bacterianas que producían la auxina activa IAA. En estas, las raíces de las plantas crecieron mucho más cortas y con mucha más ramificación. De manera similar, las plantas que carecían de un gen necesario para detectar la presencia de auxinas eran menos sensibles al IAA que las plantas de tipo silvestre. Estas plantas no respondieron a las bacterias productoras de IAA.

Revelando la invasión

Sorprendentemente, de las 21 cepas bacterianas, solo cuatro afectaron el crecimiento de las plantas de la forma que los científicos esperaban. No es casualidad que fueran las que produjeron más IAA en los tubos de ensayo. Parece que, aunque el resto podía producir algunos compuestos relacionados con el IAA, las cantidades no fueron suficientes para desencadenar una respuesta de las plantas. Esas cuatro parecían ser excepcionalmente buenas para superar las defensas de las plantas.

Pero, ¿esas bacterias consiguieron pasar las defensas gracias al IAA o a algún otro método? Los científicos respondieron a esa pregunta estudiando las plantas mutantes que carecían del gen que regula la auxina. Descubrieron que las bacterias no podían simplemente entrar en las células vegetales y colonizar las plantas mutantes. Claramente, estas bacterias habían encontrado una forma de hackear el sistema de auxina para que trabajara a su favor.

La siguiente pregunta era dónde habían entrado las bacterias. Si bien las estomas de las plantas son un mecanismo de defensa, también son un punto débil. Utilizando tintes especiales y microscopios, los investigadores encontraron montones de bacterias invasoras en las estomas de la lenteja de agua de tipo salvaje. En cambio, la mayoría de las bacterias de las plantas mutantes estaban en la superficie, donde no podían dirigirse a las estomas. Como un invasor que engaña a los guardias de las puertas de una ciudad amurallada, las bacterias exitosas utilizaron el sistema de auxina para engañar a las células guardianas.

Un pequeño estudio de este tira y afloja evolutivo entre plantas y bacterias sugiere que es probable que las plantas tengan múltiples mecanismos de defensa contra las bacterias que producen IAA.

Si bien las hojas y los tallos de las plantas se pueden ver fácilmente sobre la superficie, todo un complejo sistema de comportamiento cooperativo y competitivo permanece oculto a la vista. Al arrojar luz sobre estas relaciones, los científicos están sentando las bases para cultivar plantas para biocombustibles de formas más sostenibles.

Fuente:

https://www.energy.gov/science/articles/evolutionary-battleground-plants-vs-microbes