La Inteligencia de las plantas y el ensamblaje de sus rizosferas: Conversaciones mutualistas entre raíces y los microorganismos del suelo (rizosferas)

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Diálogos entre rizosfera y raíces: Colaje Google imágenes.

 La bellísima noticia que tenemos la oportunidad de ofreceros hoy, nos informa del fascinante mundo de las relaciones entre los organismos pluricelulares y los microrganismos que necesitan para sobrevivir. Como podréis leer vosotros mismos más abajo, existen muchas similitudes cualitativas profundas entre lo que acaece en el microbioma humano y el vegetal (“Microorganismos del Suelo y Microbioma Humano ¿Cuál es la relación?”.  Este post abunda en la hermosa historia que os mostramos en el post que versaba a cerca de La Inteligencia de los bosques y su comunicación bajo el Suelo. También os explicamos como “El Sistema Inmune de las Plantas se Encuentra en los Suelos”. Como podréis leer deleitándoos simultáneamente, las raíces de las plantas exudan las sustancias pertinentes para que alrededor de sus rizosferas prosperen los microbios que más les benefician en la captación del agua y los nutrientes que necesitan para desarrollarse, a la par que actúan como un sistema inmune que las defienden de los patógenos. No cabe duda que sus exudados atraen a sus mejores socios, intentando expulsar de su entorno a los nocivos o inútiles.

 Y así, una vez más se difumina la frontera entre lo que definimos como individuo y el concepto de ecosistemas, dando lugar, en parte a esa vida reticulada que esconde el suelo. No cabe duda de que el mecanismo de comunicación más importante entre las diferentes especies que cohabitan en la biosfera resulta ser de naturaleza química, que a la postre sirve a la hora de generar mecanismos de cooperación y apoyos mutuos, en redes enormemente diversas, útiles extensas y complejas.    Del mismo modo, todo a punta a que son las raíces las que  conducen al ensamblaje lo más óptimo posible de sus rizosfera.  Hace varios años le pregunté a una experta en rizosferas sobre los organismos modificados genéticamente. Ella más o menos me contestó. ¿no me gusta entrar en polémicas, pero si puedo asegurarte que cuando se le tocan los genes a las plantas, sus rizosferas cambian drásticamente. ¿cada uno que extraiga sus propias conclusiones.

 Os dejo pues con la nota de prensa original y su traducción al inglés. Que disfrutéis.

Juan José Ibáñez

Continúa………

El Microbioma del Suelo (un ejemplo de las praderas norteamericanas)

 Plants really do feed their friends

by Staff Writers; Berkeley CA (SPX) Apr 12, 2018
Researchers at the Department of Energy’s Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) and UC Berkeley have discovered that as plants develop they craft their root microbiome, favoring microbes that consume very specific metabolites. Their study could help scientists identify ways to enhance the soil microbiome for improved carbon storage and plant productivity.

“For more than a century, it’s been known that plants influence the makeup of their soil microbiome, in part through the release of metabolites into the soil surrounding their roots,” said Berkeley Lab postdoctoral researcher Kateryna Zhalnina, the study’s lead author.

“Until now, however, it was not understood whether the contents of this cocktail released by plants was matched by the feeding preferences of soil microbes in a way that would allow plants to guide the development of their external microbiome.”

Microbes within soil improve the ability of plants to absorb nutrients and resist drought, disease, and pests. They mediate soil carbon conversion, affecting the amount of carbon stored in soil or released into the atmosphere as carbon dioxide. The relevance of these functions to agriculture and climate are being observed like never before.

Just one gram of soil contains tens of thousands of microbial species. Scientists have long known that plants impact the composition of the soil microbiome in the area surrounding their roots by sending out chemicals (metabolites). Prior work by Mary Firestone, Berkeley Lab faculty scientist and a professor of microbiology at UC Berkeley, had shown that plants were consistently selecting or suppressing the same types of microbes over time in the root zone, suggesting some form of synchronization between plant and microbiome development.

Berkeley ha descubierto que a medida que las plantas se desarrollan, crean su microbioma alrededor de sus raíces, favoreciendo a unos microorganismos que consumen metabolitos muy específicos. Su estudio podría ayudar a los científicos a identificar formas de mejorar el microbioma del suelo con vistas a mejorar el almacenamiento de carbono y la productividad de la plantas.

“Desde hace más de un siglo, se sabe que las plantas influyen en la composición de su microbioma en el seno del suelo, en parte mediante la liberación de metabolitos al medio edáfico que rodea sus raíces“, dijo la investigadora postdoctoral Berkeley Lab Kateryna Zhalnina, autora principal del estudio.

“Hasta ahora, sin embargo, no se entendía si el contenido de este cóctel de compuestos liberado por las plantas se correspondía con las preferencias de alimentación de los microbios del suelo de una manera que permitiera a las plantas guiar/construir el desarrollo de su microbioma externo“.

Los microbios en el suelo mejoran la capacidad de las plantas para absorber nutrientes y resistir la sequía, las enfermedades y las plagas. Medían la conversión de carbono en el suelo, afectando la cantidad de carbono almacenado en el suelo o liberado a la atmósfera como dióxido de carbono. La relevancia de estas funciones para la agricultura y el clima se observa como nunca antes.

Solo un gramo de tierra contiene decenas de miles de especies microbianas. Los científicos saben desde hace mucho tiempo que las plantas afectan la composición del microbioma del suelo en el área que rodea sus raíces mediante el exudado de productos químicos (metabolitos). El trabajo previo de Mary Firestone, científica de la facultad de Berkeley Lab y profesora de microbiología en UC Berkeley, había demostrado que las plantas seleccionaban o suprimían consistentemente los mismos tipos de microbios a lo largo del tiempo en la zona de la raíz, sugiriendo alguna forma de sincronización entre el desarrollo de la planta y el microbioma.

Yet, little research had gone into the relationship between specific metabolites that plants release and the microbes consuming them. The new study brought together experts in soil science, microbial and plant genomics, and metabolomics to explore these potential metabolic connections. Their study took a close look at the rhizosphere of an annual grass (Avena barbata) common in California and other Mediterranean ecosystems.

The Berkeley Lab team felt the time was ripe for doing so. As pressure mounts for farmers to grow enough healthy crops to meet a burgeoning population’s needs, and for new land management strategies that improve soil carbon storage to reduce atmospheric CO2 and produce healthy soils, the soil microbiome is the subject of more in-depth scientific research than ever before.

The researchers set out to determine the relationship between microbes that consistently bloomed near the grass roots and the metabolites released by the plant. Their first step was to collect soil from the University of California’s Hopland Research and Extension Center in northern California.

Brodie, deputy director of Berkeley Lab’s Climate and Ecosystem Sciences Division, and his group used what they knew about the lifestyles of these soil bacteria to develop specialized microbial growth media to cultivate hundreds of different bacterial species. They then selected a subset that either flourished or declined as roots grew through the soil.

Yet, little research had gone into the relationship between specific metabolites that plants release and the microbes consuming them. The new study brought together experts in soil science, microbial and plant genomics, and metabolomics to explore these potential metabolic connections. Their study took a close look at the rhizosphere of an annual grass (Avena barbata) common in California and other Mediterranean ecosystems.

The Berkeley Lab team felt the time was ripe for doing so. As pressure mounts for farmers to grow enough healthy crops to meet a burgeoning population’s needs, and for new land management strategies that improve soil carbon storage to reduce atmospheric CO2 and produce healthy soils, the soil microbiome is the subject of more in-depth scientific research than ever before.

The researchers set out to determine the relationship between microbes that consistently bloomed near the grass roots and the metabolites released by the plant. Their first step was to collect soil from the University of California’s Hopland Research and Extension Center in northern California.

Brodie, deputy director of Berkeley Lab’s Climate and Ecosystem Sciences Division, and his group used what they knew about the lifestyles of these soil bacteria to develop specialized microbial growth media to cultivate hundreds of different bacterial species. They then selected a subset that either flourished or declined as roots grew through the soil.

Sin embargo, se habían realizado pocas investigaciones sobre la relación entre los metabolitos específicos que liberan las plantas y los microorganismos que los consumen. El nuevo estudio reunió a expertos en ciencias del suelo, genómica microbiana y de plantas y metabolómica para explorar estas posibles conexiones metabólicas. Su estudio observó de cerca la rizosfera de un pasto anual (Avena barbata) común en California y otros ecosistemas mediterráneos.

El equipo de Berkeley Lab sintió que había llegado el momento de hacerlo. Mientras crece la presión para que los agricultores cultiven suficientes cultivos sanos para satisfacer las crecientes necesidades de la población y nuevas estrategias de gestión del suelo que mejoren el almacenamiento de carbono en su seno con vistas a reducir las concentraciones de CO2 en la atmósfera y  producir suelos sanos; el microbioma del suelo es objeto de una investigación científica más profunda que nunca antes.

Los investigadores se propusieron determinar la relación entre los microbios que florecían consistentemente cerca de las raíces y los metabolitos liberados por la planta. Su primer paso fue recolectar el suelo del Centro de Investigación y Extensión Hopland de la Universidad de California en el norte de California.

Brodie, subdirector de la División de Ciencias del Ecosistema y Clima de Berkeley Lab, y su grupo utilizaron lo que sabían sobre los estilos de vida de estas bacterias del suelo para desarrollar medios de crecimiento microbiano especializados para cultivar cientos de diferentes especies bacterianas. Luego seleccionaron un subconjunto que floreció o disminuyó a medida que las raíces crecían a través del suelo.

This collection of microbes was then sent to the Joint Genome Institute (JGI), a DOE Office of Science User Facility, where their genomes were sequenced to provide clues as to why their responses to roots differed. This analysis suggested that the key to success for microbes that thrived in the rhizosphere was their diet.

Northen, senior scientist in Berkeley Lab’s Environmental Genomics and System Biology Division, is fascinated by the chemistry of microbiomes, and his group has developed advanced mass spectrometry-based exometabolomic approaches to elucidate metabolic interactions between organisms. Zhalnina and Northen combined their expertise to identify what the more successful microbes surrounding the roots of the Avena grasses preferred to eat.

Using a hydroponic setup at the JGI, they immersed plants at different developmental stages in water to stimulate them to exude their metabolites, then measured the metabolites being released by the plants using mass spectrometry. Subsequently, the cultivated soil microbes were fed a cocktail of root metabolites, and the researchers used mass spectrometry to determine which microbes preferred which metabolites.

They found that the microbes that flourished in the area around plant roots preferred a diet more rich in organic acids than the less successful microbes in the community.

Esta colección de microbios fue enviada al Joint Genome Institute (JGI), una Oficina del usuario de la Ciencia del DOE Facility, donde se secuenciaron sus genomas para proporcionar pistas sobre por qué difería su respuesta a las raíces. Este análisis sugirió que la clave del éxito para los microbios que prosperaron en la rizosfera fue su dieta.

Northen, científico senior en la División de Genómica Ambiental y Biología de Sistemas del Laboratorio de Berkeley, está fascinado por la química de los microbiomas, y su grupo ha desarrollado enfoques exometabolómicos avanzados basados en espectrometría de masas para dilucidar las interacciones metabólicas entre organismos. Zhalnina y Northen combinaron su experiencia para identificar lo que los microbios más exitosos que rodeaban las raíces de las hierbas Avena preferían comer.

Utilizando una configuración hidropónica en el JGI, sumergieron las plantas en diferentes etapas de desarrollo dentro del agua para estimularlas a que expulsaran sus metabolitos, luego midieron los metabolitos que liberaban las plantas usando la espectrometría de masas. Posteriormente, los microbios del suelo cultivados se alimentaron con un cóctel de metabolitos de la raíz, y los investigadores utilizaron la espectrometría de masas para determinar qué microbios preferían qué metabolitos.

Descubrieron que los microbios que florecían en el área alrededor de las raíces de las plantas preferían una dieta más rica en ácidos orgánicos que los microbios menos exitosos en la comunidad.

“Early in its growth cycle, the plant is putting out a lot of sugars, ‘candy’, which we find many of the microbes like,” Northen said. “As the plant matures, it releases a more diverse mixture of metabolites, including phenolic acids. What we discovered is that the microbes that become more abundant in the rhizosphere are those that can use these aromatic metabolites.”

Brodie describes these phenolic acids as very specific compounds released by plants throughout their development. Phenolic acids are often associated with plant defenses or plant-microbe communication. This indicates to Brodie that as they establish the microbial community within the rhizosphere, plants could be exuding metabolites like phenolic acids to help them control the types of microbes thriving around their roots.

“We’ve thought for a long time that plants are establishing the rhizosphere best suited to their growth and development,” said Brodie. “Because there are so many different types of microbes in soil, if the plants release just any chemical it could be detrimental to their health.

“By controlling the types of microbes that thrive around their roots, plants could be trying to protect themselves from less friendly pathogens while promoting other microbes that stimulate nutrient supply.”

Al principio de su ciclo de crecimiento, la planta libera una gran cantidad de azúcares, que nos parecen muchos de los microbios”, dijo Northen. “A medida que la planta madura, libera una mezcla más diversa de metabolitos, incluidos los ácidos fenólicos. Lo que descubrimos es que los microbios que se vuelven más abundantes en la rizosfera son aquellos que pueden usar estos metabolitos aromáticos“.

Brodie describe estos ácidos fenólicos como compuestos muy específicos liberados por las plantas a lo largo de su desarrollo. Los ácidos fenólicos se asocian a menudo con las defensas de las plantas o la comunicación planta-microbio. Esto le indica a Brodie que a medida que establecen la comunidad microbiana dentro de la rizosfera, las plantas podrían estar exudando metabolitos como los ácidos fenólicos con vitas a ayudarlas a controlar los tipos de microbios que proliferan alrededor de sus raíces.

“Hemos pensado durante mucho tiempo que las plantas están estableciendo la rizosfera más adecuada para su crecimiento y desarrollo“, dijo Brodie. “Debido a que hay tantos tipos diferentes de microbios en el suelo, si las plantas liberan solo cualquier químico, podría ser perjudicial para su salud.

“Al controlar los tipos de microbios que prosperan alrededor de sus raíces, las plantas podrían tratar de protegerse de los patógenos menos amigables, mientras promueven otros microbios que estimulan el suministro de nutrientes“.

Zhalnina, Firestone, Northen, and Brodie believe their findings have great potential to influence additional scientific and applied research. Zhalnina points out that a lot of research and development is currently underway by government and industry to harness the power of microbes that improve plant yield and quality of soil to help meet society’s growing demands for a sustainable food supply.

She said, “It’s exciting that we can potentially use the plant’s own chemistry to help nourish beneficial microbes within soil. Population growth, especially, has created a demand for identifying more reliable ways to manipulate the soil microbiome for beneficial outcome.”

The study, “Dynamic root exudate chemistry and microbial substrate preferences drive patterns in rhizosphere microbial community assembly,” has just been published in the journal Nature Microbiology. The corresponding authors were Berkeley Lab scientists Trent Northen and Eoin Brodie.

Zhalnina, Firestone, Northen y Brodie creen que sus hallazgos tienen un gran potencial para influir en otras investigaciones científicas y aplicadas adicionales. Zhalnina señala que el gobierno y la industria están llevando a cabo mucha investigación y desarrollo para aprovechar el poder de los microbios que mejoran el rendimiento de la planta y la calidad del suelo para ayudar a satisfacer las crecientes demandas de la sociedad de un suministro sostenible de alimentos.

Ella dijo: “Es emocionante que potencialmente podamos usar la propia química de la planta para ayudar a alimentar a los microbios beneficiosos dentro del suelo. El crecimiento de la población, especialmente, ha creado una demanda para identificar formas más confiables de manipular el microbioma del suelo para obtener resultados beneficiosos”.

El estudio, “La química dinámica del exudado de raíz y las preferencias del sustrato microbiano dirigen los patrones en el ensamblaje de la comunidad microbiana de la rizosfera”, acaba de publicarse en la revista Nature Microbiology. Los autores correspondientes fueron los científicos de Berkeley Lab Trent Northen y Eoin Brodie.

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