Resiliencia del microbioma de suelo en respuesta a contaminación por metales y crecimiento de plantas.
Los ecosistemas agrícolas continuamente están bajo perturbaciones ambientales como sería la contaminación con metales. En los ecosistemas terrestres, los microorganismos asociados a suelo desempeñan un papel importante manteniendo los ciclos biogeoquímicos. Por lo que la determinación de la dinámica de estas comunidades y sus funciones en los agroecosistemas en respuesta a la contaminación podría proporcionar información que se puede utilizar en procesos de restauración de ecosistemas contaminados. Las raíces de las plantas proporcionan nutrientes a través de la liberación de exudados y mucílagos, lo que modifica las propiedades fisicoquímicas del suelo, y esto determina la composición de las comunidades microbianas. Se sabe que, la contaminación de suelos puede alterar el metatranscriptoma de las rizosferas de las plantas. Así mismo se ha observado que en suelos contaminados predomina la presencia de genes relacionados con la degradación de hidrocarburos. Entonces, diferentes plantas, reclutan a ciertos organismos y mediante una selección funcional. Si se logra entender cómo ocurre el ensamblaje de las comunidades microbianas a nivel funcional, podríamos comprender mejor las complejas interacciones microbio-suelo-planta que ocurren durante la contaminación química de suelos y utilizar a los microorganismos en procesos de fitoestabilización.
Ante los cambios ambientales, los organismos, se adaptan mediante la adquisición de genes por transferencia horizontal, lo que les permite expandir su metabolismo. Existen tres mecanismos por los cuales se mantiene la estabilidad de los ecosistemas microbianos: resistencia, resiliencia y redundancia funcional. La resistencia es la capacidad que tienen los microorganismos de tolerar alteraciones en el ambiente; por ejemplo, existen bacterias tolerantes a la presencia de metales pesados porque tienen genes de resistencia. La resiliencia se asocia a la capacidad de los microorganismos para recuperarse de las perturbaciones. Cuando se perturba el ecosistema, pero, los procesos del sistema conservan el estado inicial, incluso cuando la comunidad no se recupere, esto se le atribuye a la redundancia funcional. Las comunidades de suelo presentan resiliencia al cambio ambiental y son impulsadas por tres posibles mecanismos: 1) los generalistas con amplias adaptaciones son los miembros funcionalmente dominantes en la comunidad, 2) los especialistas con rasgos funcionales distintos se vuelven activos y predominan y 3) los miembros microbianos funcionalmente dominantes con adaptaciones microbianas rápidas son reclutados bajo perturbaciones ambientales. A pesar de la existencia de este conocimiento, los estudios actuales sobre las respuestas microbianas ante los cambios se centran en gran medida en las comunidades, por lo que las respuestas microbianas a nivel de especie y funciones se conocen muy poco.
Por lo que el objetivo principal de este estudio fue determinar la dinámica de la comunidad microbiana de suelo en un agroecosistema contaminado con cadmio, fenatreno y n-octadeno durante 90 días para determinar el ensamblaje de la comunidad microbiana que ocurre en tres plantas: falsa acacia (Robinia pseudoacacia), alfalfa (Medicago sativa) y la veza vellosa. Se tomaron muestras durante 4 tiempos de incubación (0, 10, 30 y 90 días) y se extrajo DNA genómico total para obtener amplicones del gen 16s rRNA y secuencias metagenómicas. De sus resultados de secuenciación encontraron un mayor porcentaje de bacterias (80,98%), en comparación con arqueas (2,21%), virus (1,22%) y eucariotas (0,25%).
Sus resultados muestran que, durante el periodo de incubación con los contaminantes, la diversidad alfa disminuye, pero a medida que pasa el tiempo se restablece y se parece más a la diversidad encontrada en el día 0. Los perfiles taxonómicos mostraron dos grupos principales, el primero, incluyó 48 OTUs en donde los niveles de abundancia aumentan y luego disminuyen, mientras que el grupo segundo abarca 848 OTUs que disminuyen primero, pero aumentan a medida que pasa el tiempo de tratamiento. Entre los OTUs del grupo 1 se encuentran los géneros Massilia, Lysobacter, Pseudoduganella y Bacillus, los cuales poseen genes de degradación de hidorcarburos y tolerancia a metales. Mientras que los géneros Gaiella ,Perlucidibaca, Sphingomonas, Nocardioides y Aeromicrobium fueron dominantes en el grupo 2. Este resultado muestra que los organismos muestran resiliencia ya que son capaces de recuperarse de las perturbaciones hechas por la adición de metales y después de un tiempo se recuperan (Fig 1).
Fig 1. Temporal dynamics of the microbial communities at the species level during incubation under soil contamination. This analysis was performed using the maSigPro method based on operational taxonomic units (OTUs) with an average relative abundance of >0.005%. (A) Temporal dynamic visualization of the significant OTUs was based on a cluster analysis that grouped OTUs with similar profiles and conveyed here in a heatmap. Each row in the heatmap has been standardized (to a mean of zero and a standard deviation of one), with its color intensity proportional to the standardized relative abundances of the taxa. The taxonomic distributions of the significant OTUs were estimated at the genus level for cluster 1 (B) and cluster 2 (C).
Para la asignación de las características funcionales, de los metagenomas, se usaron la base de datos de la enciclopedia de genes y genomas de Kyoto (KEGG). En estos metagenomas también se observaron dos grupos. 55 rasgos funcionales fueron asociados en el grupo 1, estos están relacionados con la transducción de señales, metabolismo energético, adaptación ambiental, sistema inmunológico, motilidad celular, metabolismo de aminoácidos, xenobióticos, ácidos nucleicos, síntesis de sacáridos y derivados; oxidación de ácidos grasos, etc. Mientras que en el segundo grupo se encontraron 57 características funcionales relacionadas con los transportadores, la hidrólisis de polímeros, enzimas de utilización de carbohidratos y degradación de hidrocarburos (Fig 2).
Fig 2. Temporal dynamics of the microbial communities at the functional level during incubation under soil contamination. This analysis was conducted using the maSigPro method based on the functional traits of FOAM level 2. (A) Temporal dynamic visualization of the significant OTUs was based on a cluster analysis that grouped OTUs with similar profiles and conveyed here in a heatmap. Each row in the heatmap has been standardized (to a mean of zero and a standard deviation of one), with its color intensity proportional to the standardized relative abundances of the taxa. (B and C) Functional distributions (Funs) of the significant traits were estimated at the FOAM level 1 for cluster 1 (B) and cluster 2 (C). Detailed information on the functional traits of FOAM level 2 is shown in Table S1.
Para determinar el efecto en los procesos de selección de la planta hacia ciertos organismos, se comparó la diversidad de los suelos en los cuales se pusieron plantas y aquellos que no tenían plantas y no se encontraron diferencias significativas en la comparación de la composición de las comunidades del día 0-30, por lo que sólo se consideraron el día 90. Después de los 90 días de incubación, los suelos sin plantas y con plantas mostraron diferencias significativas en la composición de la comunidad. Por lo que este resultado muestra que el impacto de una planta específica sobre la comunidad del suelo ocurre después de algunos meses, mientras que el impacto por metales ocurre de forma rápida. Para determinar si las poblaciones microbianas se vieron afectadas por los tratamientos, se identificaron los OTUs que se enriquecieron significativamente y se construyeron modelos lineales para identificar grupos de OTUs asociados a plantas particulares, y compartidos. Sólo 21 OTUs se comparten y se enriquecen entre todas las plantas al final del tratamiento. Así identificaron OTUs específicos asociados a cada planta. Por lo que las plantas seleccionan a los organismos que pueden beneficiar su crecimiento, siempre y cuando los microorganismos degraden hidrocarburos y sean tolerantes a metales. Para determinar los efectos del crecimiento vegetal en el perfil funcional de suelo, se buscaron las diferencias entre el día 0 y el día 90, en los suelos con plantas y sin plantas. Encontraron que, en los suelos sin plantas, las funciones relacionadas con la utilización de aminoácidos, la degradación de hidrocarburos y la metanogénesis estuvieron sobrerrepresentadas. Mientras que la síntesis de sacáridos y azúcares, biosíntesis de aminoácidos aromáticos estuvieron sobrerrepresentadas en suelos en donde se sembraron plantas. Además, para determinar las asociaciones entre los diferentes microorganismos que componen a la comunidad, utilizaron un análisis de redes, y encontraron que las actinobacterias son los organismos que presentan una menor conexión, lo que se puede atribuir a su actividad antibiótica, estas están seguidas de las proteobacterias, específicamente de las Betaproteobacteria, las cuales son importantes para la producción y utilización de aminoácidos y metabolismo de ácidos nucleicos.
Finalmente, este estudio muestra los patrones de sucesión y resiliencia de la diversidad de suelo en respuesta a la contaminación por metales y la presencia de plantas. En donde las diferentes leguminosas seleccionan a organismos diferentes dependiendo de sus capacidades metabólicas asociadas a los diferentes tiempos de tratamiento. Este tipo de estudios son fundamentales para desarrollar enfoques y políticas para la protección de la diversidad microbiana del suelo debido a sus funciones en los agroecosistemas, además plantea el uso de estrategias diferentes para solucionar los problemas asociados a la contaminación del suelo y la invasión de plantas.
Referencia
Jiao, S., Chen, W., & Wei, G. (2019). Resilience and Assemblage of Soil Microbiome in Response to Chemical Contamination Combined with Plant Growth. Applied and environmental microbiology, 85(6), e02523-18.
