Fusarium oxysporum influye en la estructura del microbioma del tomate mediante la producción de ácido fusárico
El hongo Fusarium oxysporum infecta distintas plantas de relevancia económica, entre ellas el tomate, infectando inicialmente las raíces y después desplazándose a través del sistema vascular hacia el tallo y las hojas. Frente a este ataque, las plantas son capaces de modular su microbioma reclutando microorganismos que disminuyen la severidad de la infección, sin embargo; distintos genotipos de tomate difieren en su resistencia a F. oxysporum y parte de la diferencia en esta capacidad de responder a la infección podría explicarse por su capacidad de reclutar una composición microbiana en sus raíces benéfica para la salud. Por otra parte, es posible que factores de virulencia liberados por el patógeno no solo sean detrimentales para la planta, sino para los microorganismos capces de colonizar las raíces, de modo que F. oxysporum también podría modular la composición del microbioma.
En este trabajo, se evaluó la respuesta y composición del microbioma de dos genotipos de tomate () y () al ser infectadas con F. oxysporum, buscando explorar los efectos del ácido fusárico en la comunidad microbiana y la contribución de cepas individuales a la resistencia frente al patógeno.
Uno de los genotipos fue más resistente a la infección por F. oxysporum, por lo cual fue denominado el cultivar resistente (R), mientras que el otro se denominó suceptible (S) y la comparación de la severidad de la infección en suelo natural y estéril sugiere que el microbioma contribuye a la resistencia observada por el cultivar R. Buscando evaluar si la infección por el hongo influye en el reclutamiento del microbioma como resultado de la respuesta sistémica inducida, se utilizaron plantas con las raíces divididas en dos macetas, una de ellas fue inoculada con F. oxysporum, mientras que la otra permaneció sin contacto con el patógeno. El suelo afectado por la respuesta sistémica inducida fue trasplantado a una nueva maceta con suelo estéril, en donde crecieron nuevas plantas de tomate infectadas con el hongo. Comparados con los controles tratados solo con agua, el trasplante de suelo afectado por la respuesta sistémica de las plantas reistentes resultó en una infección menos severa indicando el reclutamiento de la comunidad benéfica como resultado de la activación de las defensas de la planta.
Adicionalmente se evaluó la activación de resistencia sitémica inducida por contacto con un factor de virulencia. Utilizando el mismo sistema de plantas con las raíces dividas, una de las macetas fue tratada con ácido fusárico y el suelo de la otra maceta fungió como inóculo para el trasplante. Como resultado, las plantas que crecieron y fueron infectadas en la maceta inoculada, mostraron el mismo patrón que aquellas cuyas defensas fueron inducidas por la presencia de F. oxysporum, indicando el papel del ácido fusárico como elicitor de la respuesta sistémica inducida.
Las comunidades bacteriana del experimento de trasplante fueron perfiladas mediante la secuenciación del gen ribosomal 16S, lo cual reveló que el microbioma se diferencía de acuerdo con el tipo de cultivar y también de acuerdo con la infección de F. oxysporum. Es interesante notar que dentro de las comunidades asociadas al cultivar sensible, plantas infectadas y sanas mostraron comunidades más diferentes respecto aquellas del cultivar resistente, que mantuvo comunidades similares en ambos estados. Las plantas tratadas con ácido fusárico presentaron comunidades con un comportamiento similar, sugiriendo la relevancia de este factor de virulencia en la composición del microbioma.
De manera más específica, se observó el enriquecimiento diferencial de algunos OTUs según el cultivar en estado de infección. Sphingobium, Lysobacter y Sphingomonas estuvieron enriquecidos en el cultivar resistente en comparación con el suceptible, indicando que podrían ser taxa claves en la resistencia a F. oxysporum. Por otra parte, múltipes OTUs pretencientes a Streptomyces estuvieron enriquecidos en plantas infectadas de ambos cultivares mientras que el cultivar suceptible mostró enriquecimiento de Arthrobacter.
Con los resultados de los taxa sobrerepresentados, se buscó validar su relevancia en la supresión de la enfermedad. Para ello, se aislaron múltiples cepas de Flavobacterium, Arthrobacter, Streptomyces, Lysobacter, Sphingomonnas y Sphingobium. Para un aislado perteneciente a cada género se evaluó su capacidad de proteger contra F. oxysporum en plantas de ambos cultivares, siendo Sphingomonas el género con el mayor efecto en ambos cultivares, seguido de Sphingobium y Lysobacter, géneros que estuvieron enriquecidos en el cultivar resistente. También se evaluó la efectivdad de una comunidad sintética conformada por los seis aislados, así como iteraciones de esta comundiad con uno de los miembros faltantes, como una manera de evaluar su contribución al efecto sobre la salud de la planta. La comunidad sintética fue más efectiva en el cultivar resistente, pero en ambos casos presentó la mayor protección contra el hongo respecto a las otras comunidades con un miembro ausente, las cuales indicaron que Sphingomonas tuvo la mayor contribución a este efecto, seguido de Sphingobium y Lysobacter, lo cual es consistente con su comportamiento individual.
También se evaluó la activación de resistencia sistémica inducida por efecto de estos aislados de manera, utilizando el sistema de raíz dividida y trasplante. Bajo estas condiciones todos mostraron protección contra la infección, nuevamente siendo Sphingomonas, Sphingobium y Lysobacter los aislados que ofrecieron el mayor efecto. Se evaluó la expresión de los genes relacionados con la defensa de la planta: ALLENE OXIDE SYNTHASE (AOS) y PATHOGENESIS-RELATED PROTEIN 1 (PR1a), para corroborar y medir la activación de la resistencia sistémica inducida por cada uno de los aislados, siendo los mismos tres géneros los que permitieron una mayor expresión de los genes seleccionados.
El siguiente paso consistió en investigar cómo es que la respuesta de la planta frente a la infección de F. oxysporum afecta la colonización de las raíces para cada uno de los aislados. Utilizando el sistema de raíz dividida, se determinó que el cultivar resistente promueve la colonización de Sphingomonas, Sphingobium y Lysobacter en presencia del hongo, mientras que el cultivar sensible inhibe su crecimiento. En el caso de Arhrobacter y Streptomyces, ambos cultivares favorecen su abundancia cuando hay infección, pero esta es mayor en el cultivar sensible. Finalmente, en el caso de Flavobacterium, si abundancia disminuye con la infección en el cultivar sensible, mientras que en el resistente permanece sin cambios en ambas condiciones.
Con experimentos anteriores se determinó la relevancia del ácido fusárico en la modulación del microbioma por parte de la planta. La siguiente pregunta consistió en evaluar si diferentes concentraciones de ácido fusárico son capaces de suprimir el reclutamiento de Sphingomonas en las raíces de la planta. Nuevamente usando el sistema de raíces divididas, se evaluaron 5 concentraciones de ácido fusárico en suelo estéril inoculado con Sphingomonas resistente a rifampicina, y en suelo natural, en dónde se midió el número de copias de Sphingomonas mediante qPCR. En ambos casos, se observó que las plantas del cultivar resistente tratadas con ácido fusárico en concentraciones de 0.1-1 µg/g de suelofavorecen el reclutamiento del género, mientras que en el cultivar sensible disminuye su colonización. En ambos casos, concentraciones de 10 y 50 µg/g de suelo de ácido fusárico disminuyen drásticamente el reclutamiento del género.
Para corroborar que la producción del ácido fusárico modula el reclutamiento de Sphingomonas, se utilizó una mutante de F. oxysporum: Δfub1, la cual es incapaz de producir ácido fusárico. Plantas en suelo estéril y natural infectadas con la mutante y mostraron una reducción en el reclutamiento e inhibición de Sphingomonas en los cultivares resistente y suceptible, respectivamente, indicando la contribución del ácido fusárico en la modulación del microbioma durante la infección.
Parte de la modulación que lleva a cabo la planta sobre su microbioma podría provenir de los exudados que liberal las raíces. Para explorar esta influencia, se obtuvieron los exudados de ambos cultivares en contacto y en ausencia de F. oxysporum, los cuales fueron utilizados en medio de cultivo para monitorear su efecto en el crecimiento y producción de biofilm de Sphingomonas; ambos parámetros fueron favorecidos por los exudados del cultivar resistente en presencia del patógeno mientras que los exudados del cultivar sensible ocasionaron reducción de crecimiento y producción de biofilm. Estos resultados señalan el mecanismo a través del cual las plantas resistentes son capaces de promover el crecimiento de bacterias que protegen contra la infección.Esta interpretación es soportada por la composición de los exudados radiculares, la cual difiere según el cultivar y de acuerdo con el estado de salud de la planta.
La comparación de los exudados de ambos cultivares infectados mostraron metabolitos que son más abundantes para cada genotipo. En el caso del cultivar sensible hay una mayor producción de ácido fumárico y xilosa, mientras que el cultivar resistente la alfa-tomatina, triptofano, rutina, ácido hidroxiglutárico, tiramina y leucina. En medio de cultivo, el ácido fumárico xilose, alfa-tomatine, triptófano, rutina tiramine y leucina favorecieron el crecimiento de Sphingobium a concentraciones de10 μM.
Este trabajo señala la importancia de Sphingomonas en la resistencia del tomate contra F. oxysporum, lo cual es dependiente del genotipo de la planta, siendo aquellas capaces de reclutar a los microorganismos que favorecen a la resistencia contra el patógeno, mientras que las plantas sensibles inhibieron el crecimiento de estos organismos. De igual manera se evidenció el efecto que tiene la liberación de factores de virulencia directamente sobre los microorganismos asociados a las raíces, así como el efecto indirecto que tienen una vez que se activan las defensas en la planta, lo cual lleva a cambios en la estructura del microbioma.
Referencias
Jin, X., Jia, H., Ran, L., Wu, F., Liu, J., Schlaeppi, K., Dini-Andreote, F., Wei, Z., & Zhou, X. (2024). Fusaric acid mediates the assembly of disease-suppressive rhizosphere microbiota via induced shifts in plant root exudates. Nature Communications, 15(1), 5125. https://doi.org/10.1038/s41467-024-49218-9
