El Microbioma Vegetal: Interacciones con Plantas y su Impacto en la Agricultura Sostenible

Las prácticas agrícolas modernas enfrentan desafíos significativos debido al crecimiento poblacional, el cambio climático y la degradación de suelos. En este contexto, el estudio del microbioma vegetal emerge como un campo prometedor para desarrollar estrategias sostenibles que incrementen la productividad agrícola. En la naturaleza, las plantas están continuamente expuestas a diversos estreses bióticos causados por patógenos o plagas y condiciones ambientales adversas, como sequía, salinidad del suelo, temperaturas extremas, deficiencias de nutrientes o exposición a metales pesados. Para sobrevivir a estos desafíos, las plantas han desarrollado sofisticadas respuestas inmunitarias y establecido complejas interacciones con comunidades microbianas que amplían sus funciones inmunitarias.

Composición y Estructura del Microbioma Vegetal

El microbioma vegetal, compuesto por diversos microorganismos como hongos, bacterias, oomicetos y arqueas, se organiza en diferentes nichos ecológicos con composiciones microbianas específicas (Compant et al., 2019):

• Filosfera: Incluye las partes aéreas de la planta como hojas, flores, tallos, frutos y semillas.
• Rizósfera: Comprende el suelo que rodea las raíces y se subdivide en: Ectorizosfera: El suelo influenciado por las secreciones radiculares. Rizoplano: La superficie de la raíz. Endósfera: El interior de los tejidos radiculares.

Las raíces y el suelo circundante constituyen uno de los ecosistemas más ricos y diversos del planeta. La alta concentración de vida microbiana en la rizosfera se explica por la liberación de productos fotosintéticos ricos en carbono, que representan una fuente alimenticia vital para los microbios. Estos rizodepósitos incluyen ácidos orgánicos, aminoácidos, azúcares, metabolitos secundarios e incluso células moribundas del capuchón radicular.

En especies vegetales diversas como Arabidopsis, cebada, cítricos, arroz, álamo y tomate, los filos bacterianos Proteobacteria, Actinobacteria, Bacteroidetes y Firmicutes constituyen la mayor proporción de bacterias identificadas. Para las comunidades fúngicas, estudios en varias especies han demostrado que principalmente los filos Ascomycota, Basidiomycota y en menor medida Zygomycota y Glomeromycota dominan la microbiota radicular. La alta representación de estos filos bacterianos y fúngicos en diferentes plantas hospedantes sugiere que constituyen colonizadores competitivos y adaptables bajo diversos tipos de suelo y ubicaciones geográficas.

Figura 1. Micobioma de las plantas y sus beneficios en la agricultura sustentable (Woo SL et al. 2022).

Interacciones Planta-Microorganismos

Asociaciones Beneficiosas

Las primeras plantas terrestres ya estaban colonizadas por hongos filamentosos ancestrales que facilitaban la absorción de agua y nutrientes, mientras recibían carbono fijado fotosintéticamente. Esta asociación simbiótica ha evolucionado exitosamente, de manera que más del 90% de las especies vegetales actuales forman simbiosis con hongos micorrícicos, de los cuales aproximadamente el 80% se clasifican como hongos micorrícicos arbusculares (HMA por sus siglas en ingles).

En las asociaciones con rizobios, la simbiosis comienza con la percepción de compuestos isoflavonoides específicos exudados por las raíces, que estimulan la formación de nódulos radiculares. Una vez establecida la simbiosis, existe un intercambio continuo de nutrientes entre la planta y los microbios. Los HMA pueden captar ortofosfato inorgánico (Pi) del suelo y transportarlo a través de su red de micelio hasta la raíz.

Promoción del Crecimiento y Absorción de Nutrientes

Los microorganismos beneficiosos pueden promover el crecimiento vegetal mediante diversos mecanismos:

1. Mejora de la absorción de nutrientes: Hongos como Trichoderma pueden producir metabolitos quelantes que solubilizan fosfato, aumentando su disponibilidad para las plantas.
2. Modulación hormonal: Los microbios beneficiosos pueden secretar metabolitos secundarios que actúan como reguladores del crecimiento vegetal, o producir compuestos que modulan la señalización hormonal de la planta.
3. Resistencia sistémica inducida (ISR): Ciertos miembros beneficiosos del microbioma radicular desencadenan este mecanismo, confiriendo resistencia contra diversos patógenos. La ISR se caracteriza por la activación de respuestas defensivas solo después del ataque patogénico (priming), una estrategia evolutiva de ahorro energético.

Defensa contra Patógenos

Los patógenos transmitidos por el suelo representan un desafío significativo para la agricultura. Estos pueden residir en el suelo durante períodos variables, sobreviviendo como saprofitos en residuos vegetales o como estructuras de reposo (esclerocios, clamidosporas, oosporas) hasta que los exudados radiculares desencadenan su crecimiento.

El control de estos patógenos es particularmente difícil debido a que:

1. Producen estructuras de reposo persistentes.
2. Las medidas dirigidas a estas estructuras presentan problemas ambientales y de salud pública.
3. La aplicación de pesticidas suele ser insuficiente por la limitada accesibilidad en la matriz del suelo.
4. Muchos infectan una amplia gama de hospedadores.

Los microorganismos beneficiosos pueden proteger a las plantas contra patógenos a través de:

• Competencia por recursos: Disputan con los patógenos por espacio y nutrientes.
• Antibiosis: Producción de compuestos antimicrobianos.
• Inducción de resistencia sistémica: Activan los mecanismos defensivos de la planta.
• Producción de especies reactivas de oxígeno: Bacterias como Bacillus y Sphingomonas pueden inducir la producción de estas moléculas en las raíces, suprimiendo patógenos fúngicos.

Figura 2.  Ensamblaje y función del microbiota vegetal, utilizando el arroz como ejemplo (Liu, W. et al. 2024)

Mecanismos de Selección y Defensa Vegetal

Exudados Radiculares

Las plantas producen y exudan diversos metabolitos que influyen en el ensamblaje del microbioma radicular antes incluso de que los microbios alcancen la superficie radicular El perfil de exudados cambia durante el ciclo de crecimiento vegetal; por ejemplo, en Avena barbata, los niveles de sacarosa son elevados en etapas tempranas, mientras que los aminoácidos y moléculas defensivas predominan en etapas posteriores.

Entre los exudados importantes se encuentran las cumarinas, moléculas fenólicas que participan en la absorción de hierro y el reclutamiento de microorganismos beneficiosos. Su producción es regulada por genes como MYB72 y BGLU42, incrementándose bajo condiciones de deficiencia férrica.

Defensas Estructurales

Las plantas han desarrollado diversas barreras estructurales para restringir la colonización microbiana, incluyendo:

• Cutícula: Polímero ceroso que recubre la epidermis, presente en raíces primarias y laterales.
• Lignina y suberina: Componentes que refuerzan las paredes celulares.
• Depósitos de calosa: Inducidos por el reconocimiento de microbios o elicitores microbianos en células epidérmicas radiculares.

Estas defensas estructurales influyen en la composición del microbiota al seleccionar qué microorganismos pueden penetrar en los tejidos internos de la raíz.

Sistema Inmunitario Radicular

Para percibir eficazmente las señales microbianas, las plantas poseen un sistema de detección multicapa. En la primera capa, los receptores de reconocimiento de patrones (PRR por sus siglas en inglés) ubicados en la superficie celular detectan moléculas conservadas derivadas de microbios, denominadas patrones moleculares asociados a microbios (MAMP por sus siglas en ingles), activando respuestas defensivas apropiadas.

Aplicaciones en Agricultura Sostenible

El conocimiento del microbioma vegetal tiene múltiples aplicaciones potenciales para la agricultura:

1. Bioinoculantes: El diseño de comunidades microbianas sintéticas que emulen la funcionalidad de comunidades naturales representa una estrategia prometedora para mejorar la productividad y salud vegetal, reduciendo la dependencia de fertilizantes químicos.
2. Control biológico: La selección de microorganismos beneficiosos puede ayudar a controlar enfermedades vegetales, disminuyendo el uso de productos químicos.
3. Suelos supresores de enfermedades: Caracterizados como suelos donde los patógenos no se establecen o causan poco daño, representan un modelo natural para desarrollar estrategias de manejo de enfermedades.
4. Mejora de tolerancia al estrés: Los microorganismos pueden ayudar a las plantas a tolerar condiciones ambientales adversas como sequía, salinidad y deficiencias nutricionales.

Imagen 1. Efecto bioestimulante en plantas de Arabidopsis thaliana, inoculadas con Bacillus sp. In vitro (Fotografía de E. García Cárdenas)

Acción de los Bioinsumos de Germen Biotec en el microbioma vegetal

En este contexto, los bioinsumos desarrollados por Germen Biotec se presentan como una solución sostenible para optimizar la actividad del microbioma vegetal, mejorando la productividad agrícola sin comprometer la salud del suelo ni el equilibrio ecológico. Entre sus principales mecanismos de acción se encuentran:

1. Estimulación de Microorganismos Beneficiosos: A través de consorcios microbianos específicos, sus biofertilizantes favorecen la proliferación de bacterias fijadoras de nitrógeno y hongos micorrícicos, optimizando la disponibilidad de nutrientes esenciales (Philippot et al., 2013).
2. Inducción de Resistencia Sistémica (ISR): Mediante la aplicación de bioestimulantes, las plantas activan respuestas defensivas frente a patógenos, reduciendo la incidencia de enfermedades sin necesidad de agroquímicos sintéticos.
3. Regeneración de Suelos Degradados: Los bioactivadores de Germen Biotec contienen microorganismos que degradan materia orgánica y promueven la agregación del suelo, mejorando su estructura y capacidad de retención hídrica (Vries & Wallenstein, 2017).

Conclusiones

El microbioma vegetal constituye un sistema complejo y dinámico que interactúa con la planta de múltiples formas, influyendo decisivamente en su salud, crecimiento y adaptación. La comprensión en este campo resulta fundamental para el desarrollo de prácticas agrícolas sostenibles que permitan afrontar los desafíos actuales y futuros de la producción alimentaria global. El aprovechamiento de estas interacciones naturales representa una alternativa prometedora frente a las estrategias convencionales basadas en agroquímicos, contribuyendo a sistemas agrícolas más resilientes y ambientalmente sostenibles que nos garantice una seguridad alimentaria al no solo evitar la degradación de los suelos, si no recuperarlos con prácticas amigables con el ambiente.

Referencias

·         Cannon, A. (2023). The root microbiome: Techniques for exploration and agricultural applications. BioTechniques, 75(1), 333–338. https://doi.org/10.2144/btn-2023-0057

·         Compant, S., Samad, A., Faist, H., & Sessitsch, A. (2019). A review on the plant microbiome: Ecology, functions, and emerging trends in microbial application. Journal of Advanced Research, 19, 29–37. https://doi.org/10.1016/j.jare.2019.03.004

·         Gonin, M., Salas-González, I., Gopaulchan, D., Frene, J. P., Roden, S., Van de Poel, B., Salt, D. E., & Castrillo, G. (2023). Plant microbiota controls an alternative root branching regulatory mechanism in plants. Proceedings of the National Academy of Sciences, 120(15). https://doi.org/10.1073/pnas.2301054120

·         García-Cárdenas, E., & Ruíz-Herrera, L. F. (s.f.). El potencial de la microbiota vegetal para alimentar al mundo. Saber Más. Recuperado de https://www.sabermas.umich.mx/archivo/articulos/580-numero-65/1154-el-potencial-de-la-microbiota-vegetal-para-alimentar-al-mundo.html

·         Liu, W., Xu, H., Zhou, J., He, Y., Zou, D., Bai, Y., & Zhang, J. (2024). The plant microbiota: From theoretical advances to applications. Fundamental Research. https://doi.org/10.1016/j.fmre.2024.04.016

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·         Tzipilevich, E., Russ, D., Dangl, J. L., & Benfey, P. N. (2021). Plant immune system activation is necessary for efficient root colonization by auxin-secreting beneficial bacteria. Cell Host & Microbe, 29(10), 1507–1520.e4. https://doi.org/10.1016/j.chom.2021.09.005

·         Philippot, L., Raaijmakers, J. M., Lemanceau, P., & van der Putten, W. H. (2013). Going back to the roots: The microbial ecology of the rhizosphere. Nature Reviews Microbiology, 11(11), 789–799. https://doi.org/10.1038/nrmicro3109

·         Vries, F. T. de, & Wallenstein, M. D. (2017). Below-ground connections underlying above-ground food production: A framework for optimising ecological connections in the rhizosphere. Journal of Ecology, 105(4), 913–920. https://doi.org/10.1111/1365-2745.12783

·         Woo SL, Hermosa R, Lorito M et al. (2022), Trichoderma: a multipurpose, plant-beneficial microorganism for eco-sustainable agriculture. Nat Rev Microbiol. https://doi.org/10.1038/s41579-022-00819-5

Fuente:
GERMEN: Bioestimulando Suelos