Nuevos avances en ecología microbiana y biología sintética podrían ayudar a reducir el daño causado por las actividades humanas que están afectando negativamente a los ecosistemas del suelo en el planeta.
Los microorganismos del suelo son increíblemente abundantes y diversos en términos de taxonomía, con miles de millones de células microbianas y miles de especies que se encuentran en tan solo un gramo de suelo. Sin embargo, la mayoría de los microorganismos del suelo aún no se han cultivado, lo que plantea un desafío para los investigadores que los estudian. Además, la abundancia y composición de las comunidades microbianas en el suelo pueden variar mucho entre diferentes tipos de suelo y regiones geográficas. El microbioma del suelo también se ve afectado por factores ambientales, como cambios de temperatura, humedad del suelo y otras variables, lo que lleva a fluctuaciones en los tipos y funciones de los microorganismos del suelo.
Los microorganismos del suelo, como bacterias, arqueas, hongos, protistas y sus virus, trabajan juntos para desempeñar funciones cruciales en el mantenimiento de un ecosistema saludable. Estas funciones incluyen el ciclo del carbono y los nutrientes, el apoyo al crecimiento de las plantas, la descomposición de contaminantes y más. Ciertas poblaciones microbianas tienen funciones clave en la agricultura y la sostenibilidad, como los rizobios que fijan nitrógeno para las plantas y otros organismos. Otros ayudan a reciclar los compuestos nitrogenados y los nutrientes esenciales. Algunos microorganismos descomponen los compuestos de carbono de la materia orgánica del suelo. A pesar de estas importantes funciones, muchas funciones de los microorganismos del suelo aún no se comprenden completamente.
Microorganismos con funciones específicas mejoran el funcionamiento de plantas y suelos
Una de las herramientas base para lograr mejorar el entendimiento y el uso de los microbiomas en el suelo es la caracterización de aislados específicos, los inoculantes microbianos que benefician a las plantas suelen estar dirigidos a la zona de las raíces, conocida como rizosfera, y comúnmente se les conoce como rizobacterias promotoras del crecimiento vegetal (PGPR). Una aplicación exitosa de PGPR es el uso de inoculantes de rizobios para mejorar los rendimientos de la soja. Los PGPR también tienen otras aplicaciones, como aliviar el estrés abiótico en las plantas, promover el crecimiento de las plantas al aumentar la disponibilidad de nutrientes y producir hormonas vegetales y sideróforos.
Por ejemplo, los microorganismos pueden sintetizar auxinas, que se cree que desempeñan un papel en las interacciones beneficiosas entre plantas y microbios. Esto puede suceder indirectamente a través de vías de señalización o directamente influyendo en la arquitectura de la raíz y el crecimiento de la planta huésped. Las auxinas producidas por microorganismos, como el ácido indol-3-acético, tienen varios efectos positivos sobre el crecimiento de las plantas, incluida la promoción de la formación de pelos radiculares y raíces laterales. Se han utilizado otros PGPR para mitigar el estrés por salinidad de las plantas en varios estudios. Por ejemplo, se descubrió que una cepa de Bacillus licheniformis mejora la eficiencia del uso del agua de las plantas de maíz en comparación con las plantas que no fueron inoculadas.
Uno de los principales desafíos al utilizar PGPR es que diferentes formulaciones con modos de acción específicos pueden sólo ser adecuadas para determinadas ubicaciones, tipos de suelo y tipos de plantas. Esta limitación restringe su aplicación generalizada. Además, la introducción de inoculantes no nativos puede tener consecuencias no deseadas en el microbioma local del suelo y las funciones que realiza. Por ejemplo, se ha descubierto que algunos inoculantes individuales de Rhizobium causan cambios prolongados en las comunidades bacterianas y fúngicas del suelo. De manera similar, los inoculantes fúngicos ampliamente utilizados, como los hongos micorrízicos arbusculares, no han sido evaluados exhaustivamente por sus posibles impactos ecológicos.
Reuniendo comunidades microbianas naturales y artificiales.
Si bien la mayoría de los inoculantes del suelo han consistido tradicionalmente en aislados únicos, existe un interés creciente en el uso de comunidades de microorganismos (conocidas como ‘consorcios’) para mejorar la resiliencia al estrés y superar a los microorganismos residentes. Las inoculaciones de múltiples cepas ofrecen una gama más amplia de funciones ecológicas y posibilidades de manipulación genética, proporcionando un microbioma del suelo más diverso. El desarrollo de consorcios microbianos para aplicaciones en el suelo suele seguir dos rutas: crear comunidades sintéticas combinando aislados («SynComs») o derivar comunidades naturalmente enriquecidas con complejidad reducida («NatComs»).
Los SynCom generalmente se crean utilizando una colección relativamente simple de aislados, que generalmente consta de 2 a 5 miembros. Este enfoque facilita su formulación y aplicación en diferentes entornos, así como el estudio de las interacciones entre diferentes especies. La creación de SynComs implica el uso de técnicas de detección avanzadas para identificar posibles combinaciones de especies, así como el cultivo selectivo. Una vez identificadas las especies más adecuadas, se pueden combinar en formulaciones específicas para realizar funciones ambientales específicas. Los SynCom que se construyen utilizando aislados caracterizados ofrecen varias ventajas en comparación con los sistemas menos caracterizados. Como están formados por aislados individuales, ya se conoce la composición de la comunidad. Además, cada aislado se puede caracterizar individualmente en términos de su rendimiento y datos genómicos. El papel de cada miembro se puede comprender mejor mediante experimentos de exclusión o manipulación genética.
Aplicaciones de SynComs diseñados.
Si se da un enfoque en las especies que componen el microbioma central, es posible superar los desafíos de ensamblar una amplia gama de microorganismos. Un enfoque alternativo es utilizar aislados cultivados directamente del sitio de interés del suelo para construir SynComs nativos. Esto aumenta la probabilidad de incluir cepas que se adapten al sitio específico y tengan las funciones deseadas. Por ejemplo, se desarrolló un SynCom para proteger las plantas de tomate del marchitamiento bacteriano causado por Ralstonia solanacearum este SynCom constaba de cuatro bacterias Gram positivas y confirió con éxito resistencia a las enfermedades a las plantas de tomate. Otro ejemplo es el uso de un SynCom para aliviar el estrés por déficit hídrico en el maíz. Este SynCom incluyó 17 aislados del microbioma central de la caña de azúcar. La aplicación de este SynCom puede haber estimulado la producción de osmolitos vegetales.
Un análisis de más de 400 experimentos reveló que el uso de inoculaciones de una sola especie condujo a un aumento del 41% en el crecimiento de los cultivos en comparación con el uso de un consorcio de microorganismos. Además, tratar plantas de fresa con tres cepas de hongos no fue tan eficaz para promover el crecimiento como usar una sola cepa. Otro estudio con plantas de tomate no mostró ningún beneficio adicional al combinar dos especies (Bacillus subtilis y Azospirillum brasilense) en comparación con el uso de cada especie por separado. Es importante señalar que muchos de estos estudios se realizaron en ambientes controlados y por períodos cortos. En suelos de campo naturales, las inoculaciones combinadas podrían funcionar mejor. Por ejemplo, cuando se introdujeron juntas tres cepas de bacterias en la rizosfera de las plantas de Arabidopsis thaliana, controlaron eficazmente el patógeno del mildiú, mientras que las cepas individuales no pudieron. Dado que las comunidades de múltiples especies no se han utilizado tan ampliamente como los inoculantes de una sola cepa, es posible que una comparación directa entre los dos enfoques no refleje completamente sus antecedentes científicos. Otra alternativa a considerar es la inoculación en comunidades complejas, que ha demostrado éxito en la restauración de suelos degradados mediante la translocación de suelos. En última instancia, la elección entre utilizar especies individuales o comunidades depende de la planta específica, las condiciones ambientales y los resultados deseados.