Llegando a la raíz de la microbiota vegetal

túA primera vista, las raíces de las plantas parecen distintas de los intestinos de los animales. Sin embargo, al igual que los intestinos, las raíces son responsables de Adquisición de nutrientesinteractúan con comunidades microbianas robustas y ambas se dividen en segmentos con diferente funciones.^1-3 A medida que las raíces se abren paso a través del suelo, crean una red subterránea responsable de anclar la parte aérea de la planta, absorber agua y comunicarse con el medio ambiente. Los diferentes segmentos de la raíz, incluida la zona de diferenciación, la zona de elongación y la punta de la raíz, son heterogéneos en su arquitectura, expresión genética, estado inmunológico y perfiles metabólicos, todo lo cual puede influir en la microbiota de la raíz.

Explorando otra similitud potencial, el microbiólogo vegetal Eliza Looun líder de grupo bajo Lobo Frommer En la Universidad Heinrich Heine de Düsseldorf, se estudió la colonización espacial de la microbiota vegetal. En los animales, los miembros de la microbiota intestinal se distribuyen espacialmente en función de aspectos como nutritivo y gradientes químicos.^4,5 En un estudio publicado recientemente en Célula huésped y microbioLoo y sus colegas descubrieron que la distribución espacial de los metabolitos excretados de una raíz modela de manera similar la comunidad microbiana a lo largo de su longitud.⁶ Estos hallazgos arrojan luz sobre las interacciones entre el huésped y el microbio y podrían respaldar las iniciativas de salud vegetal al destacar cómo modular la microbiota, lo que tiene implicaciones para las respuestas inmunes de las plantas, la tolerancia al estrés y más.

“Extrapolando los resultados del campo médico, sabemos que el microbioma influye en casi todo lo que hacemos, desde la forma en que pensamos, el tipo de alimentos que comemos, hasta nuestras propias respuestas ante una determinada enfermedad”, afirmó Loo. “También demostramos que el microbioma de las raíces de las plantas no es muy diferente del microbioma humano”.

Para comprender en detalle las interacciones entre las raíces y los microbios, los investigadores desarrollaron Arabidopsis thaliana y realizaron análisis genómicos, transcriptómicos y metabolómicos en segmentos de raíces tan pequeños como dos centímetros. Al principio, a Loo le costó extraer suavemente las raíces del suelo sin perturbar los microbios que esperaba identificar. “Imagínese que tira de una raíz, está dislocando la microbiota de arriba a abajo”, dijo Loo. “Queríamos algo que se abriera muy bien sin perturbar la raíz”. Los investigadores desarrollaron una solución novedosa pero simple: un sistema de crecimiento dentro de cajas de discos compactos (CD), que permitía que las raíces crecieran en una sola capa encerrada en los delgados contenedores de plástico. Una vez listos para la extracción, los científicos abrieron las cajas para acceder al contenido interior, como si estuvieran a punto de deslizar el álbum de su banda favorita en su reproductor de CD.

El sistema de crecimiento de CD no resolvió por completo las dificultades de los investigadores al trabajar con A. thaliana“El grosor de la raíz es probablemente tan grueso como una hebra de mi cabello”, dijo Loo. “Aislar una raíz perfecta que es tan fina, cortarla en pequeños trozos y recolectar suficiente ADN para hacer un perfil de la microbiota, asegurándose al mismo tiempo de que… no haya dislocación de la microbiota, fue extremadamente difícil”. Sin embargo, los investigadores perseveraron y secuenciaron las bacterias pertenecientes a cada segmento de la raíz y descubrieron que la comunidad microbiana estaba, de hecho, organizada espacialmente a lo largo del eje longitudinal de cada raíz.

A continuación, los investigadores analizaron el metaboloma de las raíces para ver si la distribución espacial de la microbiota se correlacionaba con los metabolitos excretados por las raíces. Se sabe que las distintas regiones de las raíces liberan diferentes compuestosy los científicos han postulado que agregar azúcar al suelo Ayuda a las plantas a reclutar microorganismos beneficiosos.^7,8 Para observar mejor el crecimiento de las raíces y mejorar el corte antes de realizar estudios metabolómicos, los investigadores necesitaban utilizar un medio de crecimiento de plantas basado en agar. Sin embargo, para evaluar con precisión los metabolitos liberados por las plantas, tuvieron que desarrollar un nuevo suelo artificial que careciera de azúcar, que es un suplemento común en los medios de crecimiento de plantas. Utilizando segmentos de raíces cultivados en su nuevo “ArtSoil”, el equipo realizó una cromatografía de gases-espectrometría de masas no dirigida y encontró grupos distintos de metabolitos, principalmente carbohidratos y ácidos orgánicos, asociados con segmentos de raíz específicos en una distribución espacial longitudinal a lo largo de la raíz.

La mayoría de las plantas tienen una serie de transportadores de azúcar que distribuyen los carbohidratos.⁹ Para determinar si tenían un papel en la organización espacial de los metabolitos, Loo analizó la expresión genética de plantas disponible públicamente. conjuntos de datos y encontró que ciertos DULCE (los azúcares eventualmente serán transportados) los genes transportadores de azúcar tenían patrones de distribución espacial específicos a lo largo de A. thaliana raíz.¹⁰ De regreso en su laboratorio, Loo descubrió que en las plantas cultivadas en un medio estéril, los transportadores SWEET terminaban en diferentes lugares a lo largo de la raíz en comparación con los de las plantas cultivadas en ArtSoil que contenía bacterias. El equipo de Loo también secuenció la microbiota bacteriana dentro de los tejidos internos de las plantas y descubrió que varios A. thaliana albergando DULCE Las mutaciones tenían una organización comunitaria diferente a la de las plantas silvestres. La abundancia de metabolitos también se vio afectada en los mutantes.

“Esto no se había demostrado claramente hasta ahora… este concepto de micronicho, donde tenemos diferentes exudados… y, por supuesto, diferentes microorganismos que están asociados con estas diferentes partes más jóvenes y más viejas de las raíces”, dijo Alga Zuccaroinvestigador de interacciones entre plantas y microbios de la Universidad de Colonia, que no participó en este estudio. “El punto fuerte del trabajo es que realmente demuestra que hay un evento de transporte de azúcar separado espacialmente… y esto se correlaciona con la presencia y ausencia de diferentes microbiotas en estas diferentes áreas de las raíces”.

A partir de ahora tendremos que pensar realmente en las raíces como un órgano que tiene diferentes zonas que son colonizadas de distinta manera.
– Alga Zuccaro, Universidad de Colonia

El mecanismo exacto que impulsa la relación espacial de la microbiota y los transportadores SWEET aún no está claro. Para futuros experimentos, Loo espera afinar el protocolo de la raíz, una necesidad que Zuccaro también destacó. “El siguiente paso sería buscar fracciones aún más pequeñas… y observar células individuales”, dijo Zuccaro. Esto permitiría a los investigadores determinar las distribuciones espaciales de los transportadores no solo longitudinalmente, sino desde la epidermis externa hasta la endodermis interna.

Este estudio es un primer paso hacia la recopilación de información útil para desarrollar nuevas estrategias que afecten a la salud de las plantas mediante la modulación de la microbiota y la excreción de metabolitos. Hasta entonces, un resultado inmediato del trabajo de Loo es su influencia en la forma en que se lleva a cabo la investigación sobre la interacción entre plantas y microbios. “Tenemos que prestar atención a los medios que utilizamos y a la presencia y ausencia de nutrientes específicos, especialmente azúcares”, dijo Zuccaro. “A partir de ahora, tendremos que pensar realmente en las raíces como un órgano que tiene diferentes áreas que se colonizan de forma diferente”.