Impacto del genotipo de papa en cambios funcionales de genes asociados a taxones bajo estrés hídrico y deficiencia de fósforo
Los autores de este estudio ponen a prueba el efecto de estrés combinado de falta de agua y fósforo en el rendimiento del crecimiento y el fenotipo de ocho variedades de plantas de papa tetraploides y dos diploides, así como en la diversidad del microbioma asociado a las raíces y el potencial funcional genético.
Posteriormente realizan la comparación de los metagenomas de raíces de dos genotipos Desiré y Stirling que presentan peor y mejor rendimiento frente a las condiciones de estrés.
El estrés combinado estructura la composición bacteriana y fúngica de la rizosfera y raíz
Realizan una comparación de 16S rRNA e ITS entre las condiciones de estrés combinado y no estrés y encuentran que se separan las comunidades de ambos grupos (análisis NMDS, escalamiento multidimensional no métrico) , además la riqueza es menor cuando el cultivo de papa se encuentra en estrés.
Rastrean los cambios de diversidad por jerarquía taxonómica y muestran cambios en la abundancia de grupos de bacterias y hongos que son enriquecidos o disminuidos en estrés en los compartimentos de rizosfera y raíz. En rizosfera aumentan las Xantomonadales, Sphingomonadales y las actinobacterias Pseudonocardiaceae y Streptomyces, mientras que disminuyen las Gammaproteobacteria Pseudomonadaceae y Betaproteobacteria Burkholderiales.
Diferentes genotipos de papa reclutan diferentes bacterias y con ello sus genes, lo cual afecta a su rendimiento
También secuencian el metagenoma completo y reconstruyen genomas ensamblados de metagenomas (MAGS) por los diferentes compartimentos de raíz.
Encuentran que hay diferencias entre los genes de dos tipos de genotipos (Desiré y Stirling) y le atribuyen esos cambios a las diferencias en el rendimiento del cultivo bajo las condiciones de estrés.
Realizan correlaciones de los taxones que están relacionados con alguna característica fenotípica de la planta y acomodan en clusters, resaltando el orden al que pertenecen.
Algunas funciones a destacar son las pertenecientes al clado Pseudonocardiales que está enriquecido en el genotipo Desiré, el cual cuenta con muchos genes de metabolismo de carbohidratos, los autores relacionan esto con la habilidad de usar sacáridos para contrarrestar el estrés hídrico.
Debido a que cada grupo presenta abundancia de genes relacionados con diferentes funciones, los autores creen que esto puede afectar el rendimiento de la papa frente a las condiciones de estrés.
Fig. 5 Distinct functions and genes between rhizosphere metagenomes from a good (Stirling, ocher) and poor (Desirée, turquois) performing potato genotype cultivated under combined stress. A The number of significant (FDR < 0.05) differently occurring genes per best taxonomic level. B Bar sizes show the mean abundance in normalized reads of a function. Filled bars indicate a significant (FDR < 0.01) fold change between potato genotypes. Whether a function is most abundant in Actinobacteria (Ac) Beta-/ and Gammaproteobaceria (BGP) or Alphaproteobacteria (AP) is indicated in the first column for Desirée and in the second column for Stirling metagenomes. Comparing the abundance of functions within one taxonomic group revealed whether a function is significantly (FDR < 0.01) overrepresented in rhizosphere metagenomes from Desirée or Stirling. C Functional modules that are distinct between genotypes: M00121-Heme biosynthesis, M00364 C10-C20 and M0546-Purine degradation, M00866 Raetz pathway, phosphotransferase system (PTS). Each block represents a group of KEGG orthologous, for some a gene name is suggested. Colours match the taxa in (A)
La diversidad génica de elementos genéticos móviles responde a las condiciones de estrés
Evalúan la diversidad de fagos y plásmidos encontrados en las condiciones de estrés, donde hay mayor diversidad en estrés en los dos genotipos excepto en Stirling donde hay menor diversidad. Cuando buscaron genes de resistencia a antibióticos en plásmidos, el patrón general es que hay mayor diversidad en estrés, lo que resalta la idea de que la competencia por los recursos es mayor.
Las abundancias de plásmidos y bacterias cambian en la misma proporción para los taxones cercanos a la línea diagonal, mientras que los taxones cercanos a la línea vertical tienen un cambio (FC Fold Change) más alto para los plásmidos en comparación con el FC de la bacteria completa, lo que indica funciones importantes en los plásmidos bajo distintos tratamientos de estrés y rizosferas.
La mayoría de los plásmidos cambiaron en proporción similar a la de sus bacterias anfitrionas, lo que sugiere que los plásmidos y las bacterias se enriquecen conjuntamente bajo las mismas condiciones.
Algunos plásmidos fueron más abundantes en las rizosferas de ciertos tratamientos (con o sin estrés combinado) aunque la abundancia de las bacterias no cambió. Esto indica que estos plásmidos podrían tener funciones importantes bajo condiciones específicas de estrés.
Los autores proponen que las diferencias en la respuesta al estrés entre los genotipos de papa Desiré y Stirling podrían estar relacionadas no solo con las características fisiológicas propias de cada planta, sino también con la influencia de microorganismos asociados a las raíces. Esta interacción microbiana podría haber ayudado a Desiré a resistir mejor el estrés, mostrando un menor retraso en el cierre del dosel en comparación con Stirling.
Fig. 6 Distinct mobile elements between potato rhizosphere metagenomes. All box plots show the twelve samples of (i) no stress Desiree, (ii) no stress Stirling, (iii) stress Desirée and (iv) stress Stirling by A the diversity by Shannon Index B the number of relative reads of plasmids and phages of all taxonomic classified reads, and C diversity by Shannon Index considering only antibiotic resistance genes (ARG). In D and E each tile represents a bacterial taxon that is plotted by its plasmids log2 Fold Changes (FC) against the bacteria FC. Only taxa with a significant plasmid-FC are shown (FDR < 0.05). The plasmid and bacterial abundances change in the same ratio for taxa close to the diagonal line, while taxa close to the vertical line have a higher foldchange for plasmids compared to the FC of whole bacteria, indicating important functions on plasmids under distinct D stress treatments and E stressed rhizospheres of genotypes
Referencia:
Faist, H., Trognitz, F., Antonielli, L., Symanczik, S., White, P. J., & Sessitsch, A. (2023). Potato root-associated microbiomes adapt to combined water and nutrient limitation and have a plant genotype-specific role for plant stress mitigation. Environmental microbiome, 18(1), 18. https://doi.org/10.1186/s40793-023-00492-y
