Análisis de una comunidad sintética de raíces de maíz que inhibe el crecimiento de patógenos.
Las asociaciones planta microbiomas son importantes para el crecimiento y salud del hospedero. Sin embargo, poco se sabe sobre cómo se ensambla una comunidad y los efectos benéficos de los microbiomas sobre las plantas. Estudios previos en plantas y humanos, han demostrado que se pueden ensamblar comunidades sintéticas disminuidas (es decir que estén constituidas por un número bajo de bacterias), caracterizarlas y determinar su efecto en el hospedero. El maíz (Zea mays) es un cultivo representativo con el que se han hecho estudios de comunidades asociadas a raíz. Gracias a estas investigaciones, se ha observado que estas comunidades están influenciadas por la genética del hospedero, las propiedades fisicoquímicas del suelo y, la adicción de fertilizantes. Se ha sugerido que cuando la diversidad y riqueza de las comunidades asociadas a raíz se ve disminuida es porque el hospedero ejerce una fuerte influencia sobre las comunidades de este compartimento. Por lo que en este estudio, investigadores de Berkeley, California, obtuvieron a una comunidad sintética simplificada que es representativa de raíces de maíz, la cual esta compuesta por: Enterobacter cloacae, Stenotrophomonas maltophilia, Ochrobactrumpituitosum, Herbaspirillum frisingense, Pseudomonas putida, Curtobacterium pusillum y Chryseobacterium indologenes. Esta comunidad sintética fue el resultado de estudios previos y este en donde se ha identificado que estas cepas son las más abundantes en las rizosferas de maíz y además representan a tres de los cuatro fila más abundantes en este compartimento. Para poder obtener esta comunidad, utilizaron el siguiente experimento; crecieron las semillas axénicas en suelo, lavaron sus raíces y utilizaron a las bacterias provenientes de este lavado (suspensión) para inocular semillas axénicas. Después las germinaron y crecieron en medio estéril. Pasado un tiempo, se obtiene una dilución de bacterias de raíces, las cuales son crecidas en agar, las colonias que crecieron se secuenciaron utilizando el gene marcador 16s rRNA. En una segunda estrategia, tomaron a las colonias aisladas para hacer una suspensión e inocular a las semillas. A pesar de la diferencia en estrategias, se obtuvieron resultados similares de las comunidades asociadas a las raíces de maíz lo que sugiere que existe una fuerte selección por parte del hospedero y que la composición de la comunidad es estable (Fig 1).
Fig 1. Simplified bacterial model community of maize roots was obtained by host-mediated selection. (A) Two strategies were used for isolating bacteria that could colonize root surfaces for 5 d. A. calcoaceticus and P. polymyxa were included in the 38 species for inoculation in strategy II, but were not involved in strategy I. In both strategies, the structure profiles of the bacterial community were measured by 16S rRNA gene sequencing and using QIIME combined with CFF for sequence data analysis. The relative abundances of Kluyvera and Pantoea, which possess an identical sequence for the V4 region of the 16S rRNA genes, are summed as “Kluyvera and Pantoea.” Three species, Chryseobacterium rhizosphaerae, A. calcoaceticus, and P. polymyxa, only used in the 38-species inoculum for strategy II are colored pink. (B) Dynamics of the seven-strain bacterial community on the maize root surface were tracked from day 0 immediately after inoculation for 15 d by using 16S rRNA gene sequencing. The “Cell mix” represents the seven species mixed and used as the inoculum. The y axis is relative abundance calculated as percentages of 16S rRNA gene sequences.
Cada uno de los organismos que componen a la comunidad sintética fueron analizadas para determinar cuál es su papel durante el ensamblaje de la comunidad, tomaron como ejemplo a Enterobacter, y querían saber si existe una diferencia en el ensamble de la comunidad entre una cepa de Enterobacter cualquiera y la que fue obtenida de estas raíces de maíz. Para ello, utilizaron diferentes cepas de Enterobacter que estaban disponibles. Sin embrago, al hacer la comparación se obtuvieron resultados similares en el ensamblaje de la comunidad, lo que sugiere que las cepas de Enterobacter podrían realizar una función similar en esta comunidad. Para cuantificar la composición de la comunidad desarrollaron un método dependiente de cultivo. El cual consistió en analizar el fenotipo de cada cepa usando microarreglos y cuantificando su abundancia mediante el conteo de las Unidades Formadoras de Colonia (UFCs). Así, para determinar el efecto de cada una de las siete cepas usadas sobre el ensamble de la comunidad, inocularon a las semillas axénicas con la mezcla, pero eliminando a cada una de las cepas. Para determinar la abundancia de cada especie utilizaron el método dependiente de cultivo. De las siete cepas usadas, sólo observaron un efecto en la diversidad alfa cuando eliminaron a E. cloacae. Y este efecto de quitar a E. cloacae sólo se observó en la presencia de las semillas. Por lo que este experimento sacó a la luz el papel de las interacciones entre bacterias durante la formación de la comunidad y que esto depende del hospedero. Para estudiar el efecto inhibidor de la comunidad sintética disminuida sobre el hongo patógeno Fusarium verticillioides, lo que hicieron fue inocular a las semillas axénicas y ponerlas a crecer en presencia del patógeno. Como control usaron a E. coli y semillas sin inocular. Con ello observaron que efectivamente, la comunidad sintética disminuida tiene un efecto inhibitorio contra el patógeno y que no es dependiente del hospedero. Es decir, la comunidad por si sola (crecida en agar) disminuye el crecimiento del patógeno. Además, E. cloacae tiene por si sola tiene un efecto inhibitorio contra el patógeno. Sin embargo, el efecto inhibitorio es menor comparado con el efecto de toda la comunidad, por lo que se propone usar a la comunidad como un agente de biocontrol (Fig 2).
Fig 2. Antagonistic effect of the seven-species model community against F. verticillioides. (A) Delaying effect of the seven-species model community on F. verticillioides colonization. (B) Inhibitory effect of the seven-species community on F. verticillioides mycelial growth on the surfaces of maize seeds. Photographs were taken on day 4 and day 10 after inoculation. (Scale bars: 2 mm.) (C) Biocontrol effect of the seven-species community against maize seedling blight caused by F. verticillioides. (D) Inhibitory effects of the seven-species community on the growth of F. verticillioides on potato dextrose agar (PDA) and nutrient agar (NA) plates in vitro. Fve, treatment with F. verticillioides alone; Fve+C7, joint treatment with F. verticillioides and the seven-species model community; Fve+H5α, joint treatment with F. verticillioides and E. coli DH5α. Asterisks indicate that differences among the means represented by the columns are statistically significant (*P < 0.05). ns, nonsignificant difference. Fisher’s LSD test was used for the analysis.
Finalmente, este estudio resalta la función de la microbiota asociada a plantas, ya que sirve como una barrera protectora contra la invasión de patógenos. Existen comunidades benéficas capaces de controlar el crecimiento de dichos patógenos, por lo que esta investigación, resalta la necesidad de llevar a cabo estudios de cepas individuales que componen a estas comunidades sintéticas para determinar los mecanismos por los cuales estas bacterias protegen a las plantas y usarlas como agentes de biocontrol.
Referencia
Niu, B., Paulson, J. N., Zheng, X., & Kolter, R. (2017). Simplified and representative bacterial community of maize roots. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 114(12), E2450–E2459.
