El revivir de la ciencia del suelo

Las plantas pueden estar recibiendo un poco de ayuda con su tolerancia a la sequía y al calor.

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Los agricultores siempre han tratado de mejorar la condición química y física de sus suelos, tratando de tener más nutrientes disponibles para sus plantas, retener más humedad en el suelo y para facilitar el crecimiento de las raíces de las plantas. Pero por lo general, han ignorado el papel de la diversidad de los hongos y las bacterias en el suelo.

Ahora, sin embargo, los biólogos del suelo están empezando a comprender la importancia de las interacciones en el trabajo en el microbioma que rodea los sistemas de raíces de las plantas. Algunas investigaciones recientes han demostrado, por ejemplo, que los principales cultivos alimentarios se pueden hacer más tolerantes al estrés mediante la interacción con diversos microorganismos (hongos o bacterias) que colonizan otras especies.

Existe un claro paralelismo con la ciencia médica, donde innumerables microorganismos en nuestra piel o en nuestro intestino son ahora reconocidos como mediadores cruciales de toda una serie de respuestas corporales ‐ la comprensión de que ha modificado profundamente la manera en que pensamos acerca de la salud humana.

En la agricultura, la campaña para eliminar agentes patogénicos ha fomentado un enfoque bazooka al microbioma del suelo con el uso generalizado de los biocidas y fungicidas.

Pero el papel del microbioma es muy variado y complejo para que esto sea sostenible. «Nos hallamos en un tesoro de microbios beneficiosos, cada uno de ellos contribuye un poco a rendimiento de la planta», dice Alexandre Jousset, microbiólogo de la Universidad de Göttingen, Alemania. «La comprensión de cómo estas diversas comunidades ayudan a las plantas a resistir situaciones adversas abrirá nuevas puertas para el desarrollo de prácticas sostenibles, llamada de los servicios microbianas que están durmiendo en prácticamente cualquier tipo de suelo.»

 

Alivio frente al estrés

Uno de los más conocidos de estos servicios involucra a los hongos micorríticos que colonizan las raíces de las plantas y les ayuden a penetrar el suelo. En el Reino Unido, por ejemplo, la Royal Horticultural Society ha aprobado un producto comercializado como micorriza Rootgrow, que ayuda a las plántulas a establecerse en el suelo. Como los hongos colonizan los sistemas de raíces, envían las redes de sus propios filamentos subterráneos, conocidos como hifas, para crear lo que son efectivamente los sistemas de raíces secundarias, mejorando en las plantas el acceso a la humedad y los nutrientes. Se trata de una relación simbiótica, dado que los hongos dependen de la fotosíntesis de las plantas para disponer de los azúcares que necesitan para crecer.

La extensión de la raíz no es el único servicio ofrecido por hongos micorríticos. La glomalina, una glicoproteína que los hongos secretan para cubrir sus hifas, puede promover la aglomeración de las partículas del suelo, lo que mejora la retención de humedad. Pero el microbioma suelo puede hacer más que mejorar la biología básica de las plantas ‐ que también puede alterar sus rasgos más característicos.

El microbiólogo Rusty Rodríguez ha definido el término ‘simbiogénico’, o la expresión genética de una simbiosis alterada, para dar cuenta de la tolerancia a la sequía que se muestra por las plantas cuando son colonizadas por ciertos microorganismos. Mientras trabajaba para el Servicio Geológico de EE.UU., en 2002, encontró hongos endófitos (simbiontes que viven dentro de los tejidos de la planta) particulares que estuvieron presentes una gramínea Dichanthelium lanuginosum que crece en las primaveras cálidas. Las plantas cultivadas a partir de semillas con estos hongos endofitos removidos carecían de rasgos tolerantes al calor, pero ellas se recuperaron cuando se reintrodujeron estos hongos. Rodríguez supuso que la capacidad para soportar el estrés por calor no era una adaptación genética de la planta en sí, sino más bien una característica que se expresa sólo en asociación con el hongo.

Esta hipótesis fue corroborada años más tarde, cuando Rodríguez y sus colegas utilizaron esporas de un hongo a partir de plantas de césped tolerantes a la sal para inducir la colonización de plantas de arroz. Observaron que las necesidades de agua de las plantas se redujeron hasta en un medio, acompañada de un aumento importante en el crecimiento y producción de semillas. Algunos experimentos con trigo produjeron resultados igualmente sorprendentes: las plantas tratadas con estos hongos podían tolerar temperaturas de hasta 70° C, mientras que redujeron a la mitad sus necesidades de agua.

«Todavía estamos tratando de averiguar los mecanismos involucrados», dice Rodríguez. La dificultad es que esta es una nueva forma de pensar acerca de las plantas, como parte de la investigación agronómica donde el estrés al calor y a la sequía se realiza en plantas carentes de un microbioma. «Estas plantas simbióticas son muy diferentes. Todas las cosas obvias que están destinados a ocurrir en las plantas en estas condiciones extremas, tales como tomar más agua o la producción de ciertas sustancias químicas, simplemente no están sucediendo».

Lo que está claro, sin embargo, es el potencial práctico. En 2012, Rodríguez dejó el USGS para centrarse en su nueva empresa, Technologías Simbióticas Adaptativas, con sede en Seattle, Washington, que hace que las plantas de cultivo puedan resistir la sequía y el calor.

«Todas las plantas quedan colonizadas por hongos ‐ que simplemente no son necesariamente los más adecuados para lograr los resultados que buscamos», dice Rodríguez. En un intento de encontrar el mejor hongo para cada cultivo y la ubicación, las pruebas de campo están en marcha en varias partes de los Estados Unidos, habiendo cultivado trigo, maíz, cebada, arroz y soja, usando semillas recubiertas de esporas de hongos que confieren tolerancia al calor y a la sal.

Para el uso práctico en la agricultura, sin embargo, algunos investigadores dudan de si será posible identificar el hongo adecuado para el trabajo. Una escéptica es la bióloga molecular María Lucero, quien, al igual que Rodríguez, ha estudiado los efectos de los organismos de transferencia desde el microbioma hacia una especie de planta. Su investigación con Jerry Barrow en Universidad Estatal de Nuevo México en Las Cruces descubrió que los tomates, los chiles y las hierbas colonizados con hongos endófitos mostraron una mayor tolerancia a la sequía que aquellas plantas sin el hongo endófito. En última instancia, sin embargo, Lucero llegó a la conclusión de que las inoculaciones con microorganismos no son el mejor enfoque. «Hay tantos microbios diferentes interactuantes que tiene mucho más sentido para aprovechar la comunidad natural en lugar de intentar crear cualquier transformación nuestra propia», dice ella. Lucero está estudiando cómo ciertos cultivos de cobertura pueden fomentar el desarrollo de una rica diversidad de hongos micorríticos.

 

Beneficios de las Bacterias

La simbiosis fúngica es sólo una parte de la imagen del microbioma. También los estudios de interacciones bacterianas están descubriendo nuevas dimensiones. Daniele Daffonchio y sus colegas de la Universidad de Milán en Italia y en la Universidad Ain Shams de El Cairo, Egipto, están investigando la capacidad de las plantas de pimiento de florecer bajo condiciones de sequía. Cuando estas plantas son sometidas a escasez de agua y se desarrollan con una población enriquecida de bacterias promotoras del crecimiento de plantas (PGPBs), parecen ser atraídos por la abundancia de nitrógeno y otros nutrientes en los sistemas de raíces. Estas PGPBs median la respuesta a la sequía, ayudando a reducir el consumo de agua y a mantener las funciones metabólicas. Como resultado, las plantas tienen hasta un 40% más de biomasa y realizan una fotosíntesis más eficiente.

Daffonchio concluye que las plantas no deben ser consideradas de manera aislada como organismos individuales, sino más bien como meta‐organismos ‐ planta más microbioma ‐ porque sus relaciones simbióticas afectan a la expresión de características genéticas de la planta a la adaptación a la sequía. Otra estudio de 2013 reveló que plantas de Arabidopsis thaliana plantadas en un suelo previamente expuestos al cultivo de la misma especie crecieron más vigorosamente que las muestras de control cuando se enfrentan a condiciones de sequía.

El examen de la tierra alrededor de las raíces encontró mayores poblaciones de bacterias de 41 géneros, y los investigadores llegaron a la conclusión de que era la interacción con estas bacterias que parecían reducir las respuestas defensivas de las plantas al estrés abiótico. Así como mostraron un aumento de su crecimiento, las plantas también mostraron una menor expresión de varios genes marcadores de respuesta a la sequía. Pero esto tuvo un precio: una mayor tasa de mortalidad por causas relacionadas con la sequía.

Las bacterias del suelo adecuadas, al parecer, podrían tener importantes implicancias en un mundo cada vez con más limitaciones de agua. «Las cepas que son capaces de optimizar el uso del agua podrían permitir un ahorro de un 5% de las necesidades globales de las plantas», dice Daffonchio. Los efectos pueden ser sorprendentes, pero, como sucede con los hongos, los mecanismos aún no están claros. «No sabemos lo que las bacterias están haciendo para activar las vías en la planta que reducen el consumo de agua y el aumento de crecimiento», dice Daffonchio.

 

Cultivar para la vida

Los microorganismos pueden conferir tolerancia a la sequía a las plantas, pero no son en sí mismos inmunes a los efectos de la sequía. El secado del suelo puede afectar la diversidad de la microbiota y causar que la biomasa microbiana se caiga por las dos terceras partes o más. Los microorganismos del suelo eventualmente regresan a sus niveles de población pre‐estrés, pero ningún cultivo sembrado es vulnerable.

Las técnicas de cultivo para la mitigación de la sequía podrían ser tan importantes por sus efectos sobre la biología del suelo como la forma en que alteran sus características físicas.

Kristine Nichols, un microbiólogo del suelo en el Departamento de Agricultura de EE.UU. en Mandan, Dakota del Norte , considera que el mantenimiento del microbioma es un aspecto importante de la utilización de cultivos de cobertura, cuyos beneficios se explican con mayor frecuencia en términos de la estructura del suelo , la materia orgánica y el balance químico. Al ampliar el tiempo de fotosíntesis, Nichols dice, sembrar cultivos de cobertura «hace más disponible el carbono para los hongos micorríticos para el crecimiento de las hifas».

Del mismo modo, la rotación de cultivos, una técnica usada desde hace siglos para mejorar el suelo, también tiene un gran efecto en las poblaciones microbianas, y esto puede ser la base de la mejora de la resistencia al crecimiento de la planta y la sequía, dice Philip Poole, un fisiólogo de plantas en el Centro John Innes en Norwich, Reino Unido. «Pensamos en cosas como un triángulo: la estructura del suelo, el microbioma y las raíces de las plantas, todos interactúan entre sí» dice.

Otro enfoque que se está fomentado es reducir al mínimo la labranza. Esta técnica, también conocida como la labranza de conservación, no sólo reduce la pérdida de humedad y la excesiva compactación del suelo, sino que también ayuda a aumentar la biodiversidad microbiana bajo la superficie del suelo. Tomar más de este principio, en el cultivo de la labranza cero, el residuo de la cosecha se queda en el campo después de la cosecha y las semillas se plantan a través de él en el suelo.

La labranza cero puede reducir la mano de obra, la cantidad combustible, el riego y otros costos, pero requiere de una gestión agrícola más activa. Tales proposiciones pueden tener dificultades para ganar la aceptación, pero la visión holística de los ecosistemas agrícolas en las que se arraiga está ganando terreno. Por paradójico que parezca, la creciente atención de los biólogos del suelo en el mundo de los microbios está ayudando a promover una nueva visión de la agricultura en una escala mucho mayor.

 

Fuente:

El presente texto es una traducción del artículo “Soil science comes to life”, escrito por Roger East en Nature, vol 508, pp S18‐ S19 (2013).

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