El estadío de desarrollo del maíz dirige la composición y los roles ecológicos de su microbioma bacteriano y fúngico
En este trabajo, los autores quieren conocer como el desarrollo de la planta puede dirigir en la composición del microbioma de los compartimentos de la planta, desde el suelo, la rizosfera, rizoplano, endosfera de raíz endósfera de hojas y especialmente, del filoplano (superficie de las hojas).
Para lograr ese objetivo, cultivaron maíz en dos diferentes sitios en campo, y observaron las comunidades de bacterias y hongos mediante amplicones de 16S e ITS respectivamente durante tres estadíos de desarrollo: plántula, tasseling (aparición de la flor masculina) y etapa madura, y se compararon con plantas de plástico para separar el efecto de la planta de las condiciones ambientales.
Un análisis del modelo mixto lineal sugiere que la etapa de desarrollo de la planta influye más en la riqueza de de bacterias y hongos en los nichos de los compartimentos de la planta (filósfera, endosfera de la hoja, rizoplano y endosfera de la raíz) que en la rizosfera y los suelos a granel. En los compartimentos de la planta, la riqueza de Chao1 de bacterias disminuyó desde la etapa de plántula hasta la etapa madura, mientras que los hongos mostraron un patrón opuesto.
El análisis PERMANOVA y las ordenaciones NMDS indicaron que la etapa de desarrollo de la planta explicó las mayores variaciones (16-45%) en las comunidades bacterianas y fúngicas en la mayoría de los nichos de los compartimentos de la planta, con el efecto más fuerte en la filósfera. En contraste, las comunidades microbianas en el rizoplano, la rizosfera y el suelo a granel fueron explicadas principalmente por el sitio (31-65%).
El análisis de la beta-diversidad mostró que el recambio de especies impulsó los cambios temporales en la composición de la comunidad, y la etapa de desarrollo de la planta tuvo el efecto más fuerte en las comunidades microbianas de la filósfera. A nivel de planta, el ensamblaje del microbioma fue explicado principalmente por el nicho del compartimento, seguido por la etapa de desarrollo y el sitio. También tuvieron un experimento donde se cambió el régimen de fertilización, pero este tuvo un papel marginal en la conducción de las comunidades microbianas.
Además, la disimilitud de la comunidad microbiana entre todas las muestras fue mucho menor en la etapa de plántula que en otras etapas. Aunque los microbiomas de la filósfera del maíz difirieron significativamente de los microbiomas de las hojas de plástico, ambos mostraron patrones de variación temporal similares.
Fig 1. Temporal dynamics of diversity and distribution patterns of crop-associated microbiomes. a Alpha-diversity of bacterial and fungal communities in plant compartments (phylloplane, leaf endosphere, rhizoplane and root endosphere) and soils (rhizosphere and bulk soils) across three plant developmental stages. b Nonmetric multidimensional scaling (NMDS) ordinations based on weighted UniFrac distance matrices depicting the distribution patterns of bacterial and fungal communities along the soil–plant continuum (n = 432). Different letters above the boxes indicate a significant difference determined by nonparametric Kruskal-Wallis test. The relative contribution of different factors on community dissimilarity was tested with PERMANOVA. “N” represents the effect of compartment niche, “D” represents the effect of developmental stage, “S” represents the effect of site. “XC” represents site “Xuchang”, “QJ” represents site “Qujing”. c NMDS ordinations based on weighted UniFrac distance matrices of bacterial and fungal communities in each compartment niche (phylloplane: n = 144; other niches: n = 54)
A través de un análisis determinan la estocasticidad o determinismo de los procesos que conforman las comunidades microbianas en los compartimentos a través del desarrollo y en diagramas de violin muestran la variación de los datos que caen en alguna de estas categorías, y concluyen que las plantas ejercen una fuerte influencia en sus microbiomas a través de la selección determinista durante su desarrollo en los compartimentos de la planta.
Interacciones bacteria-hongo a lo largo del desarrollo
Utilizaron análisis de redes de co-ocurrencia microbianas interreino y perfiles funcionales de microbiomas a través de herramientas como CoNet en Cytoscape y bases de datos como eggNOG se emplearon para determinar las interacciones y funciones microbianas a lo largo del intervalo planta-suelo.
Los resultados mostraron que los patrones de redes microbianas interreino cambiaron claramente a lo largo de las tres etapas de desarrollo, con roles diferenciados para bacterias y hongos en las redes durante el desarrollo de la planta.
Etapa de plántula: las bacterias tenían una mayor conectividad de red en comparación con los hongos:
Etapa madura: este patrón se invirtió, y los hongos mostraron una mayor conectividad de red.
Conectividad fúngica: aumentó de 2,2 en la etapa de plántula a 17,8 en la etapa madura.
Proporción de conexiones negativas: aumentó de 6,1 % en la etapa de plántula a 50,5 % en la etapa madura, lo que indica correlaciones más negativas entre bacterias y hongos.
Se identificaron nodos clave bacterianos en las primeras dos etapas y más nodos clave fúngicos en la etapa madura, principalmente representados por el grupo de saprótrofos.
Fig 3. Temporal dynamics of bacterial-fungal interkingdom networks. Co-occurrence network analysis of full dataset (except for maize grain sample, n = 414) showing microbial interkingdom network patterns differed among a seedling stage, b tasseling stage, and c mature stage. d Comparison of node-level topological features (degree and closeness centrality) between bacterial and fungal taxa at different developmental stages. Different letters indicate a significant difference determined by nonparametric Wilcoxon rank test. e Multiple correlations between bacterial and fungal taxa in interkingdom networks at different developmental stages
Dinámica temporal de la composición del microbioma en los nichos epífitos y endofíticos del suelo y de las plantas
Y obtienen que a lo largo del desarrollo de la planta los grupos que estan sometidos a mayor selección por el desarrollo de la planta son Actinobacteria y Bacterioidetes en bacteria; y Sordariomycetes y Dothideomycetes en hongos. Las actinobacterias en los compartimentos de las plantas fueron más abundantes en la etapa de plántula que en la etapa de tasseling y la etapa madura. Además, la abundancia relativa de Dothideomycetes en el rizoplano aumentó desde la etapa de plántula hasta la etapa madura, mientras que los Dothideomycetes en la endosfera de la raíz mostraron un patrón opuesto.
Especificamente Burkholderiaceae, Microbacteriaceae, Streptomycetaceae y Rhizobiaceae se enriquecieron significativamente en al menos dos compartimentos de la planta (por ejemplo, filoplano y rizoplano) en la etapa de plántula.
Diferenciación Ecológica: Las etapas de desarrollo de las plantas impulsan la diferenciación en los roles ecológicos de los microbiomas de la filósfera.
Por útlimo identificaron perfiles funcionales específicos de los genes, incluyendo ortologías de KEGG, enzimas activas en carbohidratos (CAZyome) y grupos de ortólogos de proteínas (COG).
Los genes funcionales involucrados en la reducción de nitrato (por ejemplo, narG y narH) en el filoplano del maíz fueron más abundantes en la etapa de plántula, mientras que el gen de la óxido nitroso reductasa (nosZ), el gen de asimilación de N (nasA y nasB), los genes relacionados con la degradación de C (xylA y amyA) y el transporte de P (pstA y pstB) fueron más abundantes en las otras dos etapas.
El estudio proporciona evidencia de la influencia del hospedero en la estructura y función del microbioma de la filósfera, destacando la importancia de considerar las etapas de desarrollo de las plantas en estudios de microbioma.
Referencia:
Xiong, C., Singh, B.K., He, JZ. et al. Plant developmental stage drives the differentiation in ecological role of the maize microbiome. Microbiome 9, 171 (2021). https://doi.org/10.1186/s40168-021-01118-6
