Las limitaciones de nutrientes y humedad revelan vínculos entre los metabolomas y microbiomas de la rizosfera

En este trabajo la pregunta principal es ¿cómo las limitaciones de nutrientes y de humedad alteran la química de la rizósfera (metaboloma) y cómo esos cambios se relacionan con la sucesión y composición del microbioma radicular en pasto varilla (switchgrass) cultivado en suelos marginales.

Realizan el siguiente diseño experimental en campo: Usan suelo de un mesocosmos previo para construir macetas para reconstruir los horizontes A, B y C del suelo, y hacen 4 tratamientos, +P, +N, +NP y -W, con suplementación con nitrógeno, fósforo, nitrógeno y fósforo y la mitad de agua que se usa en todos los tratamientos y el control.

El crecimiento de las raíces de las plantas fue mayor en el tratamiento con +NP, no difirió mucho con +N y +P por separado, pero se vió reducida con -W. además en cada tratamiento aumentó el potencial hídrico, mostrando como no solo la falta de riego disminuía la disponibilidad de nutrientes sino también el uso de los fertilizantes.

Con este diseño secuencian la región V4 del gen 16S rRNA y describiendo ASVs.
En general, los índices de diversidad alfa fueron significativamente mayores en los controles y en el tratamiento +P en comparación con los suelos donde se añadió N, mientras que la reducción del riego no tuvo un efecto significativo en comparación con los controles.

Dentro de cada tratamiento, buscan los ASVs que están diferencialmente asociados a cada tratamiento con respecto al control y marcan los que se van de uno u otro lado, haciendo más fácil la comparación entre uno y otro, es de resaltar que la mayor cantidad de ASVs asociados al tratamiento fue con el tratamiento +NP, y el menos el -W, algo que se esperaba observando la diversidad alfa.

Debido a que hubo diferencias notables entre +N y el control, muestran cuales son los ASVs que están diferencialmente asociados en detalle con una grafica de barras, coloreando por el grupo taxonómico al que pertenecen, aquí además se nota que no se pudo dilucidar muy bien la clasificación taxonómica de muchos ASVs.

En el tratamiento -W hubo bastante actinobacterias, asociadas precisamente con la falta de humedad, fueron componentes importantes en todas las muestras, aunque particularmente importantes en este tratamiento, los autores mencionan que puede que sea algo natural en el suelo original que están usando, y que es probablemente una adaptación ambiental.

En general los tratamientos +N y +NP parecen ser muy parecidos entre ellos por lo que muchos análisis se centran en estos como un conjunto (adicionado con nitrógeno).

En el análisis de metaboloma, el cual analizan en los diferentes horizontes del suelo, sólo muestran lo significativamente diferentes entre los tratamientos y el control, mostrando primero lo que resalta en el control con respecto a los tratamientos con nitrógeno, y muestran ejemplos representativos de lo que ocurre, con respecto a los tratamientos que están comparando para entender mejor cómo interpretar las gráficas.

Llama mucho la atención que lo hayan hecho de esta manera, en lugar de mostrar solo los que diferencian con respecto al control, sin embargo esto ayuda a manejar la narrativa de que hay grupos de compuestos que arcan el comportamiento del metaboloma de la rizosfera:

Para los controles hay muchos compuestos polifenoles, que pueden estar asociados con actividad antimicrobiana; para los enriquecidos en nitrógeno, hay muchos aminoácidos y compuestos derivados como la serina; así como en el deficiente en agua que también es rico en estos compuestos pero especialmente en algunos que son conocidos osmolitos como la ectoína, después discuten que estos pueden ser muy importantes para manejar el comportamiento en respuesta a la disponibilidad de nutrientes y agua, median el ensamblaje del microbioma de la rizosfera.

Para mostrar este punto hacen correlaciones múltiples para ver si hay asociaciones entre los ASVs y los metabolitos diferencialmente abundantes, lo cual ayuda a ver cuales son los particularmente diferenciados y que tanto pueden estar relacionados en conjunto con comunidades microbianas y el metabolismo del suelo, sin embargo el hacerlo sólo de los diferencialmente abundantes en los tratamientos (que solo los marcan para los suplementados con nitrógeno y los controles) puede llevar a sesgos que no dejen observar el fenómeno completo.

Para mostrar no solo que hay relaciones lineales entre estos sistemas, hacen análisis de redes que combinan tanto ASVs con metabolitos, y es interesante que hay metabolitos que funcionan como atractores de módulos que parecen darle sentido a las relaciones que hay entre los módulos de las redes, lo cual los autores clasifican como metabolitos clave.

Observando que la serotonina es clave en cómo se forman las redes, hacen dos experimentos para ver cómo éste compuesto clave cambia el comportamiento de las plantas y 6 miembros aislados del microbioma, viendo que en la planta aumenta el desarrollo de las raíces secundarias y en las bacterias a altas concentraciones puede inhibir su crecimiento, lo cual se interpreta como un gran modulador del comportamiento de la rizosfera.

En este trabajo los autores reconocen que el sistema no mostró gran diferencia en el tratamiento +P porque probablemente el P no era limitante en el sistema, y por eso no se mostraron diferencias grandes de ningún tipo.

En conclusión, esta serie de experimentos demostró que hay metabolitos que son la piedra angular del comportamiento de la rizosfera, que pueden estar mediando la composición y liberación de metabolitos que funcionen como respuesta al estrés abiótico.

Reference:
Baker, N. R., Zhalnina, K., Yuan, M., Herman, D., Ceja-Navarro, J. A., Sasse, J., … & Firestone, M. (2022). Nutrient and moisture limitation reveal keystone metabolites that link switchgrass rhizosphere metabolome and microbiome dynamics. PNAS. https://doi.org/10.1073/pnas.2303439121