Evolución de mutualismo en las raíces de Arabidopsis thaliana
Las interacciones entre planta y microorganismos que colonizan la raíz tienden a favorecer interacciones mutualistas como resultado del control ejercido por la planta. Este trabajo explora la posibilidad de que la selección mediada por el hospedero permita que comportamientos mutualistas evolucionen en bacterias con una interacción antagónica mediante un sistema de evolución experimental
El experimento consistió de seis pases seriales de Pseudomonas protegens CHA0 en raíces de llevado a cabo en las raíces Arabidopsis thaliana, las cuales se mantuvieron en un sistema gnotobiótico para excluir competencia con otros microorganismos y sometiendo la trayectoria evolutiva de P. protegens a las presiones selectivas generadas por la planta. A partir de la cepa ancestral, se establecieron cinco líneas independientes, y cada ciclo consistió del trasplante del microbioma a nuevos hospederos con el mismo genotipo (Col-0) después de cuatro semanas. Para monitorear la trayectoria de las poblaciones presentes en cada línea, se aislaron 16 colonias al azar en los ciclos 2, 4 y 6, las cuales fueron agrupadas según su capacidad de crecimiento, resistencia al estrés y características ligadas a la interacción con la planta como producción de hormonas, actividad de enzimas proteolíticas, formación de biofilm, etc. Con esta información, las cepas se agruparon en cinco categorías: similar al ancestro, transitoria (referente a que su abundancia disminuyó hacia el final del experimento), sensible al estrés y mutualista 1-2.
Siguiendo la abundancia de cada fenotipo en sus ciclos correspondientes, se observó un incremento en la abundancia de los fenotipos mutualistas con el transcurso del experimento en todas las líneas, mientras que los fenotipos transitorios y sensibles al estrés fueron menos prevalentes y en algunas líneas desaparecieron. Una vez concluida la evolución experimental, se seleccionaron 5 aislados representativos de cada categoría, los cuales fueron inoculados de manera individual en raíces de A. thaliana para evaluar su desempeño y efectos sobre la planta. Un ordenamiento del fenotipo de las plantas sometidas a estos experimentos indica un efecto similar entre los aislados mutualistas, correlacionando positivamente con distintas variables fenotípicas de la planta; a diferencia de la cepa ancetral y del resto de aislados. De manera similar se identificó una correlación positiva respecto al índice de desempeño vegetal (PC1 del ordenamiento descrito anteriormente, explica 76.9% de la variación), y al número de bacterias en la raíz, indicando un mejor desempeño por parte de las bacterias mutualistas.
Para evaluar la adaptación de P. protegens a las raíces de A. thaliana, se determinó la capacidad de crecimiento de los distintos aislados en presencia de fuentes de carbono secretadas por las raíces, lo cual indicó que los fenotipos mutualistas no presentaron incremento significativo en el crecimiento respecto al ancestro, incluso los mutualistas 2 mostrando reducción en la capacidad de crecimiento. Por otra parte, los aislados mutualistas presentaron un ligero incremento en la tolerancia a escopoletina, un compuesto antimicrobiano secretado por la planta. Debido a que la producción de este metabolito depende de la expresión del factor de transcripción MYB72, se evaluó su inducción por efecto de los diferentes aislados, mostrando una mayor expresión por efecto de los aislados mutualistas, lo cual correlaciona con la tolerancia a la escopoletina. De igual manera se encontró una corelación negativa de la actividad protelítica y la inducción de MYB72, lo cual sugiere el cambio de una interacción antagónica a mutualista por parte de las bacterias.
Para explorar los cambios en el genoma responsables de los distintos fenotipos de las bacterias, se secuenció el genoma completo de 30 aislados seleccionados al azar, los cuales fueron comparados con la cepa ancestral para identificar SNPs e INDELs. En el caso de los aislados mutualistas, destacaron mutaciones en gacS y gacA, genes de la cinasa sensora y el regulador de respuesta, respectivamente, del sistema de dos componentes que regula múltiples aspectos del metabolismo secundario, incluyendo virulencia y patogenicidad. Algunas de las mutaciones en gacA indican posible reducción o inhibición de la actividad del regulador de respuesta debido a cambios el aspartato (D54) que recibo el fosfato que inicia la cascada de señalización y también una mutación generando un condón de paro (E38X).
Los fenotipos mutualistas también mostraron mutaciones en accC (biotina decarboxilasa), las cuales fueron asociadas con un mejor desemeño de la planta pero sin un claro papel en la rizósfera.
Por otra parte, el fenotipo sensible al estrés que fue dominante en la línea 5 parece estar asociado a cambios en rpoS y su promotor, lo cual podría involucrar una respuesta más eficiente frente al estrés, comprometiendo su capacidad de antagonizar al hospedero produciendo factores de virulencia, explicando su dominancia en la rizósfera.
Para evaluar el potencial adaptativo de tres cepas mutualistas con mutaciones en gacA y gacS, se realizaron ensayos de competencia, estimando la aptitud relativa respecto al ancestro midiendo cambios respecto a la proporción inicial 1:1 al final del exprimento. Esto se llevó a cabo en las raíces de A. thaliana, así como en tres medios líquidos: KB, LB y TSB. Los genotipos fueron detectados por análisis del perfil de desnaturalización de alta resolución basado en PCR (RQ-HRM), indicando que las cepas mutantes tuvieron una ventaja en las raíces de la planta, pero mostraron una aptitud similar o menor al ancestro en los medios líquidos, indicando que las mutaciones ofrecen ventajas que son específicas al ambiente de la raíz.
Los resultados del trabajo indican que las presiones de selección ejercidas por la planta permitieron la evolución de una interacción mutualista por parte de las bacterias. Esto involucró pocos cambios en la regulación global de la expresión de genes, ocasionando una reducción en la virulencia, evidenciado por una menor actividad protelítica y promoción del crecimiento de la planta. Las mutaciones en gacS/gacA afectan el metabolismo secundario, lo cual podría explicar también la resistencia a escopoletina e inducción de MYB72.
Referencias
Li, E., De Jonge, R., Liu, C., Jiang, H., Friman, V.-P., Pieterse, C. M. J., Bakker, P. A. H. M., & Jousset, A. (2021). Rapid evolution of bacterial mutualism in the plant rhizosphere. Nature Communications, 12(1), 3829. https://doi.org/10.1038/s41467-021-24005-y
Song, H., Li, Y., & Wang, Y. (2023). Two-component system GacS/GacA, a global response regulator of bacterial physiological behaviors. Engineering Microbiology, 3(1), 100051. https://doi.org/10.1016/j.engmic.2022.100051
