Un buen día de Hawai en 2015, Geoff Zahn y Anthony Amend iniciaron una caminata de ocho horas. Subieron a una montaña de la selva en la isla de Oahu, aplastando mosquitos y bordeando revoltosos de cerdos salvajes. Los dos se dirigieron al sitio donde un parche de críticamente en peligro Phyllostegia kaalaensis había sido plantado unos meses antes. Lo que encontraron fue desalentador.

“Todas las plantas habían desaparecido”, recuerda Zahn, que en ese momento era becaria postdoctoral en la Universidad de Hawai en Manoa. Los dos ecologistas encontraron solo las banderas rojas colocadas en el sitio de cada plantación, más algunos tallos muertos. “Fue como un cementerio”, dice Zahn.

Las plantas, miembros de la familia de la menta pero sin el aroma del mentol, tenían muy probablemente murió de oidio causado por Neoerysiphe galeopsidis . Hoy las plantas de flores blancas, nativas de Oahu, sobreviven solo en dos invernaderos administrados por el gobierno en la isla. Por qué P. kaalaensis está casi extinto no está claro, aunque la pérdida de hábitat y el oídio son posibles explicaciones. La enfermedad fúngica difusa ataca las plantas en invernaderos, y los investigadores presumen que ha matado a todas las plantas que han intentado reintroducir en la naturaleza.

Zahn nunca se había encontrado con la extinción (o cerca de ella) tan directamente antes. Regresó a casa abrumado y decidido a ayudar a la menta.

Al igual que los humanos y otros animales, las plantas tienen sus propios microbiomas, las bacterias, los hongos y otros microorganismos que viven en y en las plantas. Algunos, como el moho, atacan; otros son beneficiosos Una sola hoja alberga millones de microbios, a veces cientos de tipos diferentes. Los que viven dentro de los tejidos de la planta se llaman endófitos. Las plantas adquieren muchos de estos microbios del suelo y el aire; algunos se transmiten de generación en generación a través de semillas.

Beneficiarios botánicos

Las bacterias y los hongos que viven dentro y sobre las plantas pueden ayudar a sus huéspedes de varias maneras. Aquí hay una muestra.

Planta: Leguminosas y otras plantas

Microbio: Rhizobia

Efectos : Proporcione a la planta nitrógeno adicional, lo que aumenta la fotosíntesis y ayuda a la planta a producir alcaloides amargos que contienen nitrógeno que defienden a los animales que comen plantas.

Planta: Maíz ( Zea mays )

Microbio: Glomus mosseae

Efectos : Aumenta la longitud de la raíz de la planta y la absorción de agua

Planta: Dang shen ( Codonopsis pilosula ), una hierba medicinal también conocida como ginseng de los pobres

Microbio: algunas cepas de Bacillus subtilis

Efectos : Mejora el tamaño de la planta, el contenido de clorofila y la fotosíntesis

Planta: álamo negro ( Populus trichocarpa )

Microbio: Stachybotrys

Efectos : Reducir la severidad de la roya de la hoja causada por el hongo Melampsora

Planta: Alfalfa ( Medicago sativa )

Microbio: Sinorhizobium meliloti

Efectos : Ayuda a la planta a resistir la congelación

Desde arriba: Keith Weller / Servicio de Investigación Agrícola / USDA; Anthony Appleyard / Wikimedia Commons ( CC BY-SA 3.0 ); Yo, Doronenko / Wikimedia Commons ( CC BY 2.5 ); Amiyashrivastava / Wikimedia Commons ( CC BY-SA 3.0 ); Ivar Leidus / Wikimedia Commons ( CC BY-SA 4.0 )

Los microbios amigables ayudan con el crecimiento y la fotosíntesis o ayudan a las plantas a sobrevivir frente a la sequía y otros factores estresantes. Algunos protegen a las plantas de enfermedades o de animales que mastican plantas. Científicos como Zahn están investigando cómo estas comunidades de apoyo podrían ayudar a las plantas en peligro de extinción en la naturaleza, como la menta en la montaña, o mejorar la producción de cultivos que van desde el trigo de canasta de pan hasta el cacao tropical.

Más allá de la tienda de jardinería

Ciertos socios de plantas microbianas son bien conocidos y ya hay muchos productos microbianos en el mercado. Los jardineros, por ejemplo, pueden pinchar sus cubos de riego con microbios para fomentar la floración y aumentar la inmunidad de la planta. Pero “sabemos muy poco acerca de cómo funcionan realmente los productos”, dice Jeff Dangl, genetista de la Universidad de Carolina del Norte en Chapel Hill. “Ninguno de esos productos de la tienda de suministros de jardinería ha demostrado ser útil a gran escala”.

Las granjas grandes pueden usar tratamientos microbianos. El principal aplicado ampliamente en la agricultura a gran escala ayuda a las raíces a recolectar nitrógeno, dice Dangl, que las plantas usan para producir clorofila para la fotosíntesis.

Los agricultores pronto podrán tener muchos más ayudantes microbianos para elegir. Los científicos que estudian microbiomas de plantas han descrito numerosos socios de planta desconocidos en las últimas décadas. Esos investigadores dicen que solo han arañado la superficie de las posibilidades. Muchas empresas de nueva creación están investigando y lanzando novedosos tratamientos microbianos. “Los últimos cinco años han visto una explosión en esto”, dice Dangl, quien cofundó AgBiome, que pronto planea comercializar un tratamiento bacteriano que combate las enfermedades fúngicas. Gigantes agrícolas como Bayer AG, que recientemente compró Monsanto, también están invirtiendo cientos de millones de dólares en tratamientos microbianos potenciales para las plantas.

La esperanza es que los microbios puedan proporcionar la próxima gran revolución en la agricultura, una revolución que se necesita urgentemente. Con la población humana predijo que se disparará desde los 7,6 mil millones de hoy a casi 10 mil millones para el año 2050, se espera que nuestra necesidad de alimentos a base de plantas, fibras y alimentos para animales se duplique.

“Vamos a necesitar aumentar el rendimiento”, dice Posy Busby, un ecologista de la Universidad Estatal de Oregón en Corvallis. “Si podemos gestionar y manipular microbiomas … esto podría representar un área sin explotar para aumentar el rendimiento de la planta en entornos agrícolas”. Mientras tanto, científicos como Zahn están observando el microbioma para salvar plantas en peligro de extinción.

Pero antes de que la agricultura y la conservación basadas en el microbioma realmente puedan despegar, muchas preguntas necesitan respuestas. Varias giran en torno a las complejas interacciones entre plantas, sus diversos habitantes microbianos y los entornos en que viven. Una preocupación es que los microbios que ayudan a algunas plantas podrían, bajo ciertas condiciones, dañar a otros en otros lugares, advierte el microbiólogo Luis Mejía del Instituto de Investigación Científica y Servicios de Alta Tecnología en la Ciudad de Panamá.

Ahorra el chocolate

Los cultivos de cacao -y, por lo tanto, el precioso suministro de M & M de la humanidad- están bajo la constante amenaza de hongos indeseables, como Phytophthora palmivora , lo que causa podredumbre de vaina negra Pero también hay buenos muchachos en el microbioma del cacao, particularmente el hongo Colletotrichum tropicale , que parece proteger los árboles .

Natalie Christian, como estudiante graduada en la Universidad de Indiana Bloomington, viajó al Smithsonian Tropical Research Institute en la isla Barro Colorado de Panamá en 2014 para estudiar cómo colonias enteras de microbios colonizan e influyen en las plantas de cacao ( Theobroma cacao ) Christian sospechaba que la fuente principal del microbioma de un árbol de cacao joven serían las hojas muertas y en descomposición en el bosque lluvioso o en el suelo de la plantación.

Para probar esta corazonada y ver qué tipo de protección pueden ofrecer los microbios recogidos de la hojarasca, Christian crió plántulas de cacao sin hongos en una incubadora de laboratorio. Cuando las plantas alcanzaron cerca de medio metro de alto, las colocó en macetas afuera, rodeando a algunas con hojarasca de un árbol de cacao saludable, algunas con desperdicios de otros tipos de árboles y algunas sin basura.

Después de dos semanas, ella trajo las plantas de vuelta al invernadero para analizar sus microbiomas. Ella encontró casi 300 tipos de endófitos , que ella, Mejía y sus colegas informaron el año pasado en Procedimientos de la Royal Society B .

La membresía del microbioma difirió entre los tratamientos de camada. Las plantas en macetas con cualquier clase de hojarasca poseían microbiomas menos diversos que aquellos sin hojarasca, probablemente porque los microbios en la hojarasca rápidamente tomaron el control antes de que los microbios callejeros de otros lugares pudieran asentarse. Estos resultados sugieren que una plántula a la sombra de árboles más maduros probablemente acumulará el mismo microbioma que sus vecinos imponentes.

Levantar las defensas

Después de que las plantas de cacao se cultivaran con o sin hojarasca alrededor de sus raíces, los científicos expusieron las plantas al hongo negro de la vaina y midieron el daño de la podredumbre. Los microbios de la camada a base de cacao fueron los más beneficiosos para las plantas, pero incluso la basura mixta ofreció protección contra el hongo.

Fuente: N. Christian et al / Procedimientos de la Royal Society B 2017

Para ver si algunos de esos microbios transferidos protegen el cacao de organismos causantes de enfermedades, Christian se frotó un poco la podredumbre negra de la vaina en las hojas de las plantas de cada grupo. Tres semanas después, ella midió el tamaño de las manchas podridas.

Las plantas rodeadas por la arena del cacao tenían las lesiones más pequeñas. Los que tenían desperdicios de otros árboles tenían un poco más de daño, y las plantas sin desperdicios tenían el doble del daño de las plantas de hojarasca mixtas.

“Exponerse a la camada de su madre o de su propia especie tuvo un efecto beneficioso muy fuerte sobre la resistencia de estas plantas jóvenes”, dice el biólogo de plantas Keith Clay de la Universidad de Tulane en Nueva Orleans, coautor del estudio.

Los científicos no están seguros de cómo los buenos hongos protegen las plantas contra la podredumbre. Puede ser que los hongos beneficiosos simplemente ocupen espacio en las hojas, sin dejar espacio para los indeseables, dice Christian. O un microbio protector como C. tropicale podría atacar a un patógeno a través de algún tipo de guerra química. En el caso del cacao, ella piensa que la explicación más probable es que los buenos actúen como una especie de vacuna, preparando el sistema inmune de la planta para luchar contra la podredumbre. En apoyo de esta idea, Mejía informó en 2014 en Fronteras en Microbiología ese C. tropicale hace que el cacao active los genes defensivos

Los agricultores de cacao pueden necesitar repensar sus prácticas. Los agricultores normalmente limpian la hojarasca de los huertos para evitar la transmisión de microbios causantes de enfermedades de las hojas en descomposición a los árboles vivos, dice Christian, ahora un postdoc en la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign. Pero su trabajo sugiere que los agricultores podrían hacer bien al menos aferrarse a la basura de los árboles sanos.

Preguntas sobre cultivos

La basura es una forma de baja tecnología para diseminar comunidades enteras de microbios, buenas y malas. Pero las compañías agrícolas quieren tomar solo los buenos microbios y aplicarlos a los cultivos. La búsqueda de los buenos comienza con un paseo por un campo de cultivo, dice Barry Goldman, vicepresidente y jefe de descubrimiento en Indigo Ag en Boston. Lo más probable es que encuentres plantas más grandes y resistentes entre la multitud. Dentro de los mejores resultados, Indigo ha encontrado endófitos que mejoran el vigor y el tamaño de la planta, y otros que protegen contra la sequía.

La compañía, trabajando con algodón, maíz, arroz, soja y trigo, recubre semillas con estos microbios. Una vez que las semillas germinan, los microbios cubren las hojas recién nacidas y pueden ingresar a través de cortes en las raíces oa través de los estomas, pequeños orificios para respirar en las hojas. El proceso es similar a lo que sucede cuando un bebé viaja a través del canal de parto, recogiendo socios microbianos beneficiosos de la madre en el camino.

Por ejemplo, la primera generación de Indigo Wheat, lanzada en 2016, comienza con semillas tratadas con un microbio beneficioso. En los campos de prueba de Kansas, el tratamiento aumentó los rendimientos en un 8 a 19 por ciento.

Los agricultores también están reportando una mejor tolerancia a la sequía. Durante los primeros seis meses de 2018 con solo dos lluvias, los granjeros participantes de Kansas abandonaron los campos con trigo regular en apuros, pero no los que cultivan Indigo Wheat, dice Goldman.

En St. Louis, NewLeaf Symbiotics está interesado en las bacterias del género Methylobacterium . Estos microbios, que se encuentran en todas las plantas, se conocen como metilótrofos porque consumen gas metano, que las plantas liberan a medida que crecen sus células. A cambio del metano, las M-trofs, como las llama NewLeaf, ofrecen a las plantas diversos beneficios. Algunos entregan moléculas que estimulan a las plantas a crecer; otros hacen que las semillas germinen más temprano y de manera más consistente, o protegen contra hongos problemáticos.

NewLeaf lanzó sus primeros productos este año, incluido Terrasym 401, un tratamiento de semillas para soja. A lo largo de cuatro años de pruebas de campo, Terrasym 401 aumentó los rendimientos en más de dos bushels por acre, dice el cofundador y director ejecutivo de NewLeaf, Tom Laurita. Un bushel vale aproximadamente $ 9. En granjas con miles de acres, eso se suma.

Los agricultores están contentos, pero el trabajo de NewLeaf e Indigo apenas termina. Las compañías de microbiomas vegetales enfrentan desafíos similares. Uno es los diversos entornos donde se cultivan los cultivos. El hecho de que Indigo Wheat prospere en Kansas no significa que superará las variedades estándar en, por ejemplo, Dakota del Norte. “Lo importante es que las compañías de biotecnología agrícola de próxima generación como AgBiome o Indigo … sepan si los productos se entregarán según lo anunciado en un rango de condiciones de campo”, dice Dangl.

Otro problema es que los campos de cultivo y las plantas ya tienen microbiomas. “Pedimos mucho microbio, o una mezcla de microbios, para invadir un ecosistema ya existente y persistir allí y hacer su trabajo”, dice Dangl. Las empresas deberán asegurarse de que sus microbios preferidos se arraiguen.

Y aunque los científicos son conscientes de que diversas comunidades microbianas cooperan para afectar la salud de las plantas, la mayoría de las empresas están trabajando con un tipo de microbio a la vez. Indigo aún no está seguro de cómo acercarse a microbiomas enteros, dice Goldman, pero “ciertamente estamos pensando mucho en ello”.

Los investigadores están empezando a abordar estas cuestiones mediante el estudio de los microbios en las comunidades, como los microbiomas de hojarasca de Christian, en lugar de como individuos. En el laboratorio, Dangl desarrolló una comunidad sintética de 188 microbios de la raíz. Puede aplicarlos a las plantas bajo estrés por la sequía o el calor, luego observar cómo las comunidades responden y afectan las plantas.

Un objetivo principal es identificar los factores que determinan la membresía del microbioma. ¿Qué decide quién tiene un lugar en una planta determinada? ¿Cómo afectan las especies de plantas y su entorno local al microbioma? ¿Cómo aceptan las plantas los amistosos y expulsan a los hostiles? “Esta es una gran área de importancia”, dice Dangl.

Existe cierto riesgo de agregar microbios a los cultivos, mientras que estas preguntas aún no han sido respondidas, advierte Mejía. Los microbios que son beneficiosos en una situación pueden ser dañinos en otras plantas o en diferentes entornos. No es un escenario descabellado: hay un endofito fúngico de una palmera sudamericana que evita infestaciones de escarabajos cuando los árboles están a la sombra. Bajo el sol, sin embargo, el hongo se vuelve desagradable, arrojando peróxido de hidrógeno que mata los tejidos vegetales.

Y aunque C. tropicale beneficios del cacao, el género tiene un lado oscuro: muchas especies de Colletotrichum puede causar lesiones foliares y manchas de frutas o flores podridas en una variedad de plantas que van desde aguacates hasta zinnias.


H. Thompson; Imagen de fondo: Ruslandashinsky / iStockphoto


Microbios para la conservación

De vuelta en Hawai, después de esa desalentadora caminata hacia el P. kaalaensis Cementerio, Zahn reflexionó sobre cómo proteger las plantas nativas en ambientes salvajes como las montañas de Oahu.

En las personas, consideró Zahn, los antibióticos pueden dañar las poblaciones de microbios intestinales normales, dejando a una persona vulnerable a la infección por microbios dañinos. P. kaalaensis recibió un tratamiento similar en el invernadero, donde recibió dosificación regular de fungicida. En retrospectiva, se dio cuenta Zahn, que el tratamiento probablemente dejó a las plantas privadas de su microbioma natural y debilitó su sistema inmunológico, dejándolas vulnerables a la infección por moho una vez que cayó en la jungla.

Para las personas que toman antibióticos, los probióticos, bacterias beneficiosas, pueden ayudar a restablecer el equilibrio. Zahn pensó que una estrategia similar, una especie de probiótico vegetal, podría ayudar a proteger P. kaalaensis en futuros intentos de moverlo afuera.

Para un probiótico, Zahn miró a un P. kaalaensis prima, Phyllostegia hirsuta , que puede sobrevivir en la naturaleza. El puso P. hirsuta hojas en una licuadora y roció la lechada sobre P. kaalaensis creciendo en una incubadora.

Entonces, Zahn colocó una hoja infectada con mildeu polvoriento en la entrada de aire de la incubadora. Las plantas de menta tratadas con P. hirsuta El lodo experimentó infecciones retardadas y menos graves en comparación con las plantas no tratadas, Zahn y Amend, también en la Universidad de Hawai en Manoa, informaron el año pasado en PeerJ . El probiótico había funcionado.

Zahn usó la secuenciación del ADN para identificar los microbios en la lechada. Muchos de los miembros del microbioma probablemente se benefician P. kaalaensis , pero cree que ha encontrado un gran protector: una levadura llamada Pseudozyma áfidos que vive en las hojas. “Esta levadura normalmente solo absorbe pasivamente los nutrientes del medio ambiente”, dice Zahn. “Pero dada la víctima correcta, se convertirá en un espantoso monstruo de espagueti”. Cuando las esporas de moho aterrizan cerca, el la levadura produce filamentos parecidos a tentáculos que parecen envolver y alimentarse del moho .

Envalentonado por sus resultados, Zahn regresó a la jungla y plantó seis plantas tratadas con lechada en abril de 2016. Sobrevivieron durante aproximadamente dos años, pero en mayo de 2018, todos estaban muertos.