Comunidades sintéticas para proteger a las plantas del estrés hídrico
Los autores de éste trabajo evaluaron el efecto de una comunidad sintética obtenida con anterioridad en el fenotipo de tres varieades distintas de maíz. La comunidad sintética se obtuvo a partir de aislados del microbioma de raíz y tallo de la caña de azúcar. Para evaluar dichos efectos, se creo un sistema de monitoreo compuesto por varios sensores que medían (a internvalos de tiempo regulares) variables ambientales como la humedad relativa, la temperatura del aire y el contenido de agua del suelo, así como variables fenotípicas de las plantas como la temperatura de las hojas y el flujo de savia. Se compararon cuatro grupos: 1) plantas sin inocular con riego adecuado; 2) plantas sin inocular bajo estrés hídrico; 3) plantas inoculadas de manera adecuada; 4) plantas inoculadas bajo estrés hídrico. Finalmente se obtuvieron los perfiles del gen 16S rRNA para caracterizar a las comunidades de bacterias de los cuatro grupos.
SUPPLEMENTARY FIGURE 1 | Experimental design to evaluate the impact of SynCom in three different commercial hybrids of maize under DS. (A) Experimental layout showing maize plants of hybrids DKB177, SX7341, and P3707VYH placed in 36 plots of 12 plants each, with 48 plants fully equipped with a set of sensors for continuous monitoring. Environmental data were obtained from four stations located along the greenhouse. (B) Plots were distributed in a twin row experimental design in a 90-m2greenhouse (C). (D) Monitored plants (shown as black circles in panel A) were fully equipped with sensors for Tleaf, sap flow and SWC. DS, drought stress; Tleaf, leaf temperature; SWC, soil water content.
Una de las primeras observaciones fue que las plantas inoculadas resistían mejor las condiciones de estrés hídrico que las no inoculadas. Aunque con el paso del tiempo, se observó que las hojas de todas las plantas empezaban a doblarse sin importar el tratamiento, las plantas inoculadas tendían a mantener los tallos firmes, mientras que las no inoculadas se doblaban trás varios días de riego insuficiente. De manera similar, las plantas inoculadas se recuperaron tras volver a aplicar el riego adecuado.
FIGURE 1 | A SynCom containing beneficial microbes induces a physiological response against DS in three commercial maize hybrids. (A) Plants kept in SDS for 29 days (79 DAS) had their leaves rolled inward, and older leaves fell for all hybrids, regardless of whether they were inoculated. (B) P3707VYH was the less tolerant hybrid in the absence of SynCom, completely bent after 31 days of SDS (81 DAS), in contrast to the inoculated hybrid (white arrow). (C) Uninoculated DKB177 and
SX7341 were completely bent (83 DAS), as shown by the white arrows. In the presence of SynCom, plants were maintained in a straight position (DKB177) and partially or completely bent (SX7341 and P3707VYH, respectively), as shown by the black arrows. (D) Inoculated plants (SX7341 and particularly P3707VYH) straightened 2 days after rewatering (86 DAS; black arrows), while uninoculated plants were not capable of completely recovering their structure (white arrows).
Como era de esperarse, el rendimiento de las plantas de las plantas y la producción de granos, se vieron afectados negativamente por el estrés hídrico. Sin embargo, la reducción del rendimiento de las plantas fue menor cuando las comunidades sintéticas fueron inoculadas. De manera similar, se observó que la inoculación de dichas comunidades tuvo un efecto en la temperatura de las hojas, la cual disminuyó respecto a los grupos no inoculados.
FIGURE 2 | Synthetic community (SynCom) inoculation reduces the yield loss of commercial maize hybrids under DS. During DS, inoculated DKB177 and P3707VYH plants displayed higher (A) yield per plant (3.93× and 3.45×, respectively), (B) number of kernels per plant (3.87× and 3.85×, in that same order) and(C) number of kernel rows per ear (42 and 59%, respectively) under DS.
FIGURE 4 | The SynCom-inoculated DKB177 plants displayed lower T leaf than uninoculated plants. (A) The hybrid DKB177 showed a low T leaf when inoculated with SynCom, especially in periods when the air temperature was high. The standard deviation is shown as the background for air temperature and both treatments. (B) T leaf of uninoculated plants reaches a peak of 3.23 ◦ C higher at 106 DAS (inset from panel A). (C) The difference between T leaf of inoculated and uninoculated plants (1T leaf ), rounded every 30 min over time, revealed consistency in the high temperature presented by uninoculated DKB177. Values were displayed above the x-axis when T leaf of inoculated plants is higher than T leaf of uninoculated plants or below the x-axis when T leaf of uninoculated plants is higher than T leaf of inoculated plants, and colored in blue or red, respectively, when significantly different (P ≤ 0.05). Areas filled with light gray denote not statistically significant differences. The sums of areas in the graph above and below the x-axis were considered only for statistically significant differences.
Finalmente, el análisis de las comunidades de microorganismos asociados a la raíz mostró diferencias en la diversidad beta entre comunidades inoculadas y no inoculadas. No obstante, las diferencias entre tratamientos de riego normal y estrés hídrico no fueron significativas. Así mismo, se lograron recuperar en una alta abundancia los OTUs de la comunidad sintética, los cuáles pertenecían a Agrobacterium, Asticcacaulis, Burkholderia, Dyella, Ensifer, Enterobacter, Lysobacter, Microbacterium, Pantoea, Pedobacter, Sphingomonas, Stenotrophomonas, Streptomyces y Variovorax, los cuales fueron encontrados en su mayoría en alta abundancia en las muestras inoculadas. Estos resultados sugieren que la comunidad se mantiene relativamente estable tras la inoculación, pero se desconocen los mecanismos por los cuales influyen en el fenotipo de las plantas inoculadas.
FIGURE 6 | Members of SynCom robustly colonize different maize hybrids. (A) PCoA of the Bray–Curtis dissimilarity matrix of inoculated and uninoculated plants. (B) Relative abundance of OTUs present in SynCom in WW- and DS-treated inoculated and uninoculated DKB177, SX7341, and P3707VYH hybrids. (C) Relative abundance of community-based isolates in SynCom in WW- and DS-treated inoculated and uninoculated maize hybrids. OTUs of community-based isolates identified as robust colonizers are individually highlighted in Supplementary Table 3. Values expressed as the mean ± SD. PCoA, principal coordinates analysis; SD, standard deviation; Un., unknown. *P ≤ 0.05, **P ≤ 0.01, and ***P ≤ 0.001.
Referencia
Armanhi, J. S. L., de Souza, R. S. C., Biazotti, B. B., Yassitepe, J. E. D. C. T., & Arruda, P. (2021). Modulating Drought Stress Response of Maize by a Synthetic Bacterial Community. Frontiers in microbiology, 12.
