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

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

Ahora, sin embargo, los biólogos del suelo están empezando a comprender la importancia de las interacciones en el trabajo del 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 transferencia en ellos de diversos microorganismos, tales como hongos o bacterias, que colonizan otras especies. Existe un claro paralelismo con la ciencia médica, donde los microorganismos innumerables de nuestra piel y de nuestro intestino son ahora reconocidos como mediadores cruciales de toda una serie de respuestas corporales – la comprensión de que se ha modificado profundamente la manera en que pensamos acerca de la salud humana.

En la agricultura, la campaña para eliminar los agentes patógenos 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 encontramos con un tesoro de microbios beneficiosos, cada uno de ellos contribuye un poco al rendimiento de las plantas«, 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 microbianos que están durmiendo en prácticamente cualquier tipo de suelo«.

Alivio de estrés

Uno de los más conocidos de estos servicios involucra a los hongos micorríticos que colonizan las raíces de las plantas y les ayudan a penetrar en el suelo. En el Reino Unido, por ejemplo, la Royal Horticultural Society ha aprobado un producto comercializado como micorriza Rootgrow, que ayuda a las plantas a establecerse. Como los hongos colonizan los sistemas de raíces de las plántulas, envían redes de sus propios filamentos subterráneos, conocidos como hifas, para crear lo que son efectivamente los sistemas de raíces secundarias, mejorando los accesos de las plantas a la humedad y los nutrientes. Se trata de una relación simbiótica cómo los hongos dependen de la fotosíntesis de las plantas para entregar 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 estos 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 del suelo puede hacer más que mejorar la biología básica de las plantas, puede también alterar los caracteres más importantes.

El microbiólogo Rusty Rodríguez ha acuñado el término ‘simbiogénico‘, o la expresión genética alterada por simbiosis, para dar cuenta de la tolerancia a la sequía que muestran las plantas cuando colonizadas por ciertos microorganismos. Mientras trabajaba para el Servicio Geológico de EE.UU. (USGS) en 2002, encontró que los endófitos (simbiontes que viven dentro de los tejidos de la planta) de un hongo particular estuvieron presentes en la planta Dichanthelium lanuginosum (pasto pánico), que crece en ambientes muy cálidos. Las plantas cultivadas a partir de semillas sin estos hongos endófitos carecían de rasgos tolerantes al calor, pero recuperaban la tolerancia cuando se reintrodujeron los 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 presente en plantas de césped tolerantes a la sal que crecen en dunas y son capaces de colonizar plantas y semillas de arroz. Vieron 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. Los experimentos de trigo produjeron resultados igualmente sorprendentes: las plantas tratadas con el hongo que confiere tolerancia al calor ya podían tolerar temperaturas de hasta 70°C, mientras que reducían a la mitad sus necesidades de agua.

«Todavía estamos tratando de averiguar los mecanismos involucrados«, dice Rodríguez. La dificultad es que ésta es una nueva forma de pensar acerca de las plantas, como parte de la investigación agronómica sobre la tolerancia al calor y la sequía, que se realiza en plantas carentes de un microbioma. «Estas plantas simbióticas son muy diferentes. Todas las cosas obvias que están destinadas 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 empresa de nueva creación, Tecnologías Simbióticas Adaptativas, con sede en Seattle, Washington, que hace que las plantas simbióticas de cultivos agrícolas puedan resistir la sequía y el calor. «Todas las plantas quedan colonizadas por hongos – que no son necesariamente los más adecuados para lograr los resultados que buscamos«, dice Rodríguez. Están en marcha en varias partes de los Estados Unidos las pruebas de campo, en un intento de encontrar el mejor hongo para cada cultivo, para probar el trigo, el maíz, la cebada, el arroz y la soja que se cultivan usando semillas recubiertas de esporas de hongos tomados de plantas resistentes 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. María Lucero es una bióloga molecular escéptica, quien, al igual que Rodríguez, ha estudiado los efectos de los organismos que se transfieren desde una especie del microbioma a una planta. Su investigación con Jerry Barrow en la Universidad Estatal de Nuevo México en Las Cruces, descubrió que los tomates, los chiles y las hierbas colonizados con endófitos de dos especies de plantas del desierto mostraron una mayor tolerancia a la sequía que aquellos sin el hongo endófito. En última instancia, sin embargo, Lucero llegó a la conclusión de que la transferencia individual de microorganismos no es el mejor enfoque. «Hay tantos microbios diferentes interactuantes que tiene mucho más sentido aprovechar la comunidad natural en lugar de intentar crear cualquier transformación artificial«, dice ella. Lucero está estudiando cómo ciertos cultivos de cobertura pueden fomentar el desarrollo de una diversidad rica de hongos micorríticos.

Beneficios bacterianos

La simbiosis fúngica es sólo una parte de la imagen del microbioma. Los estudios de las 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 que florecen bajo condiciones de sequía. Cuando estas plantas están bajo escasez de agua, se desarrolla una población enriquecida en bacterias promotoras del crecimiento de plantas (PGPBs), que se cree son atraídas por la abundancia de nitrógeno y otros nutrientes en los sistemas de raíces de las plantas. Estas PGPBs median la respuesta frente a la sequía, lo que ayuda a reducir el consumo de agua, mientras aumentan las funciones metabólicas. Como resultado, las plantas tienen hasta un 40% más de biomasa y realizan la fotosíntesis de manera más eficiente.

Daffonchio concluye que las plantas no deben ser consideradas de manera aislada como organismos individuales, sino más bien como meta-organismos (plantas más microbioma), porque sus relaciones simbióticas afectan a la expresión de características genéticas de adaptación de la planta a la sequía. Otra estudio de 2013 encontró que las plántulas de Arabidopsis thaliana crecidas en un suelo previamente expuesto a A. thaliana crecieron más vigorosamente que las muestras controles cuando se enfrentan a condiciones de sequía. El análisis de la tierra alrededor de las raíces reveló mayores poblaciones de bacterias de 41 géneros diferentes, y los investigadores llegaron a la conclusión de que era la interacción con estas bacterias la que parecía reducir las respuestas defensivas de las plantas al estrés abiótico. Así como el aumento de su crecimiento, las plantas también mostraron una menor expresión de varios genes marcadores de la 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 podría permitir un ahorro de un 5% de las necesidades globales de las plantas«, dice Daffonchio. Los efectos pueden ser sorprendentes, pero, como ocurre 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.

El cultivo para la vida

Los microorganismos pueden conferir a las plantas tolerancia a la sequía, pero no son en sí mismas inmunes a los efectos de la sequía. El suelo seco puede interrumpir la diversidad del microbioma y causar una disminución importante de biomasa microbiana. Los microorganismos del suelo eventualmente regresan a sus niveles de población pre-estrés, pero cualquier 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 de la forma en que alteran sus características físicas. Kristine Nichols, una microbióloga 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, del balance entre la materia orgánica y química. Al ampliar el tiempo de fotosíntesis, Nichols dice, sembrar cultivos de cobertura «hace tener más carbono disponible 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 de 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.

Fuente:

El presente texto es una traducción del artículo publicado por Roger East, titulado: “Soil science comes to life, en NATURE, Vol 501, S18-S19 (2013).