Investigadores mapean toda la población de microorganismos de la caña de azúcar

Publican en la revista Scientific Reports un estudio de más de 35 mil especies de bacterias y hongos y un nuevo método para el análisis de sus funciones en la planta

Por Diego Freire  |  Agência FAPESP – Un solo ejemplar de caña de azúcar constituye el hogar de 23.811 tipos de bacterias y 11.727 grupos diferentes de hongos. Este hallazgo les cupo a científicos del Instituto de Biología (IB) de la Universidad de Campinas (Unicamp), en São Paulo, Brasil, que realizaron el mapeo completo e inédito de las comunidades de microorganismos que habitan en todos los tejidos de la cañamiel, desde la raíz hasta las hojas.

Esta investigación, realizada en el Laboratorio Central de Tecnologías de Alto Desempeño en Ciencias de la Vida (LaCTAD), que cuenta con el apoyo de la FAPESP en la modalidad de Equipos Multiusuarios (EMU), derivó en dos artículos publicados en la revista Scientific Reports, del grupo Springer Nature: el primero el día 30 de junio, en el cual se informa sobre el mapeo completo del microbioma, el conjunto de microorganismos que viven en los distintos órganos de la planta, y el segundo, publicado el 12 de julio, donde se presenta un nuevo método destinado al aislamiento y el cultivo de colecciones de esas poblaciones para el estudio de las funciones que éstas desempeñan para la planta.

Sucede que la microbiota de los vegetales, al igual que la de los animales, media interacciones importantes entre el organismo y su ambiente, entre las cuales, en las plantas, se encuentra la conversión del nitrógeno atmosférico en compuestos nitrogenados, utilizados en la síntesis de proteínas. Sin embargo, de acuerdo con los investigadores, sin el mapeo completo del microbioma no sería posible conocer más a fondo esta relación, cuya comprensión puede contribuir al avance de la biotecnología orientada a la producción agrícola sostenible.

“Existe una comunidad de microorganismos que habita en todos los organismos superiores, y que es fundamental para el mejor funcionamiento del sistema inmunológico de los animales, del hombre y de las plantas; e incluso actúa en la defensa contra patógenos. Sin embargo, la comunidad científica sólo conoce algo más de media docena de funciones que desempeñan las bacterias y hongos de los vegetales, y son raros aún estudios tendientes a analizar la diversidad, la estructura y el impacto de esa microbiota en cultivos de importancia económica. Esos dos artículos aportan una nueva visión del microbioma de la cañamiel y acerca de cómo estudiarlo para desarrollar tecnologías basadas en la asociación entre plantas y microorganismos”, dijo Paulo Arruda, docente del Departamento de Genética y Evolución del IB-Unicamp.

Los investigadores realizaron un inventario completo de la estructura y la composición de las  comunidades bacterianas y fúngicas asociadas a la caña de azúcar. Las más de 35 mil especies de bacterias y hongos mapeadas habitan en el interior y en la superficie de las raíces, los brotes y las hojas.

“Esos miles de tipos de microorganismos no estarían contribuyendo únicamente para con la media docena de funciones de la microbiota de la planta que se conocen actualmente. Se trata de una caja negra de la biología que debe abrirse”, dijo Arruda, quien también coordina el Centro de Biología Química de Proteínas (SGC-Unicamp), apoyado por la FAPESP en el marco del Programa de Asociación para la Innovación Tecnológica (PITE).

El mapa de los microorganismos

La identificación masiva de las especies de microorganismos que habitan en la caña de azúcar fue posible merced al uso de un secuenciador de segunda generación, cuya tecnología permite secuenciar marcadores de ADN microbiómico presentes en muestras de raíz, brotes y hojas sin necesidad de aislar y cultivar cada especie de bacteria y hongo en laboratorio, tal como se hacía anteriormente.

“Hasta hace poco tiempo, debido a las limitaciones tecnológicas, la investigación científica quedaba sujeta al cultivo de bacterias en laboratorio, lo que constituye un trabajo lento y que resulta en una cantidad muy pequeña de muestras, fundamentalmente debido a que muchas especies no crecen en medios de cultivo. Por eso se conocía sólo superficialmente la real diversidad de las comunidades de microorganismos que habitan en cada tejido de la planta”, dijo Rafael Soares Correa de Souza, del Centro de Biología Molecular e Ingeniería Genética (CBMEG) de la Unicamp.

Asimismo, también de acuerdo con el investigador, “la mayoría de los trabajos en el área se enfocaban en analizar el microbioma sólo de la raíz, determinando cuáles son las bacterias y demás microorganismos que se asocian a ella y que estarían relacionados con la absorción de nutrientes y otros procesos”.

En el trabajo desarrollado con la secuenciación de segunda generación se mapeó el microbioma de la caña de azúcar contemplando comunidades que viven fuera y dentro de la raíz, del tallo y en las hojas en distintos estadios de desarrollo. Los investigadores disponen ahora de un “mapa” completo para saber cuáles son las bacterias y los hongos más abundantes, sus funciones y sus posibles aplicaciones biotecnológicas, con acceso a toda una diversidad que antes no podía estudiarse.

Para ello se desarrolló un protocolo propio de preparación de la secuenciación. Los científicos recolectaron muestras de la raíz, el tallo y las hojas por separado y lavaron cada una con una solución especial. El agua residual fue sometida a centrifugación de baja velocidad para  separar los residuos del suelo y del ambiente e aislar a los microorganismos. Luego se hizo una nueva centrifugación –en este caso, de alta velocidad– para hacer precipitar a las células con el material genético que se secuenciaría. Y se realizó idéntico proceso con los microorganismos que habitan el interior de la planta: para exponer los tejidos, se los trituro en la licuadora.

Aparte del mapa, los investigadores disponen de colecciones de muestras representativas de los microorganismos que viven en el microbioma de la planta.

“Estas colecciones están almacenadas de manera tal que sea fácil su acceso, lo que permitirá la selección de microorganismos para componer inóculos que representan a diferentes comunidades y que pueden estudiarse para que se sepa qué efectos benéficos les aportan a las plantas. Ahora tenemos un mapa y los recursos biológicos necesario como para avanzar en la investigación”, dijo Jaderson Silveira Leite Armanhi, también del CBMEG.

Aparte de la FAPESP, está investigación contó con financiamiento de la compañía energética de origen español Repsol y de Repsol Sinopec Brasil. Los trabajos también contaron con la participación de científicos del Centro de Biotecnología y Genómica de Plantas de la Universidad Politécnica de Madrid (UPM), España.

Los resultados de este mapeo aparecen en el artículo intitulado Unlocking the bacterial and fungal communities assemblages of sugarcane microbiome, de Rafael Soares Correa de Souza, Vagner Katsumi Okura, Jaderson Silveira Leite Armanhi, Beatriz Jorrín, Núria Lozano, Márcio José da Silva, Manuel González-Guerrero, Laura Migliorini de Araújo, Natália Cristina Verza, Homayoun Chaichian Bagheri, Juan Imperial y Paulo Arruda, que se encuentra disponible para su lectura en el siguiente enlace: www.nature.com/articles/srep28774.

En tanto, el artículo intitulado Multiplex amplicon secuencing for microbe identification in community-based culture collections, de Jaderson Silveira Leite Armanhi, Rafael Soares Correa de Souza, Laura Migliorini de Araújo, Vagner Katsumi Okura, Piotr Mieczkowski, Juan Imperial y Paulo Arruda, puede leerse en: www.nature.com/articles/srep29543.