Derek S. Lundberg, Sarah L. Lebeis, Sur Herrera Paredes, Scott Yourstone, Jase Gehring, Stephanie Malfatti, Julien Tremblay, Anna Engelbrektson,VictorKunin, Tijana Glavina del Rio, Robert C. Edgar, Thilo Eickhorst, Ruth E. Ley, Philip Hugenholtz, Susannah Green Tringe & Jeffery L. Dangl
Land plants associate with a root microbiota distinct from the complex microbial community present in surrounding soil. The microbiota colonizing the rhizosphere (immediately surroundingthe root) and the endophytic compartment (within the root) contribute to plant growth, productivity, carbon sequestration and phytoremediation. Colonization of the root occurs despite a sophisticated plant immune system, suggesting finely tuned discrimination of mutualists and commensals from pathogens. Genetic principles governing the derivation of host-specific endophyte communities from soil communities are poorly understood. Here we report the pyrosequencing of the bacterial 16S ribosomal RNA gene of more than 600 Arabidopsis thaliana plants to test the hypotheses that the root rhizosphere and endophytic compartmentmicrobiota of plants grown under controlled conditions in natural soils are sufficiently dependent on the host to remain consistent across different soil types and developmental stages, and sufficiently dependent on host genotype to vary between inbred Arabidopsis accessions. We describe different bacterial communities in two geochemically distinct bulk soils and in rhizosphere and endophytic compartments prepared from roots grown in these soils. The communities in each compartment are strongly influenced by soil type. Endophytic compartments fromboth soils feature overlapping, low-complexity communities that are markedly enriched in Actinobacteria and specific families from other phyla, notably Proteobacteria. Some bacteria vary quantitatively between plants of different developmental stage and genotype. Our rigorous definition of an endophytic compartment microbiome should facilitate controlled dissection of plant–microbe interactions derived from complex soil communities.
Luisa Sandner
ReplyDeleteDefining the core Arabidopsis thaliana root microbiome
Lundberg et al.
Este artículo describe la microbiota asociada a Arabidopsis thaliana en dos regiones de la planta, en su rizósfera y en los compartimientos endofíticos (dentro de la raíz) usando como control dos tipos de suelos. Los autores utilizan la secuenciación del 16s rRNA (eliminando los reads de Archaea y de las plantas) para identificar los OTUs asociados a la rizósfera, compartmiento endofítico y suelo solo.
Una de las primeras observaciones es que los OTUs de los suelos solos y sus rizósferas se diferenciaban de los OTUs de sus respectivos compartimientos endofíticos (fig 5b).
Sus datos demostraron que la interacción de las diferentes comunidades de los suelos con las plantas es lo que determina la composición de su rizósfera y que “cuela” el microbioma que va a entrar a la raíz.
Luego los autores evaluaron las distribuciones taxonómicas de los 778 OTUs que obtuvieron de la secuenciación del los 16s rRNA del suelo, rizósfera y compartimiento endofítico y encontraron siete phyla dominantes: Acidobacteria, Actinobacteria, Bateriodetes, Cyanobacteria, Proteobacteria, Firmicutes y Gemmatimonadetes. Específicamente, el microbioma del compartimiento endofítico se encuentra dominado por Actinobacteria, Proteobacteria y Firmicutes y carece de Acidobacteria, Gemmatimonadetes y Verrucomicrobia. Un análisis de grupos taxonómicos inferiores dio como resultado que el grupo dominante de las Actinobacteria es el de los Streptomycetaceae. En el grupo de las Proteobacterias, dos familias de α-Proteobacterias: Rhizobiaceae y Methylobacteriaceae, y dos familias de γ-Proteobacterias: Pseudomonadaceae y Moraxellaceae son las dominantes en los espacios endofíticos. Algunas de estas familias también se encontraron en la rizósfera.
Algunos taxa asociados a la rizósfera no colonizan el interior de la raíz.
Otra de las conclusiones a las que llegan los autores es que una fracción del microbioma que coloniza a la raíz es dependiente del genotipo de la planta en condiciones particulares de suelo.
Curiosamente encuentran que la familia Bradyrhizobeaceae es más abundante en la rizósfera que en el interior de la raíz (esto contradice estudios anteriores?).
Como conclusión ellos proponen que la diversidad del microbioma del suelo que rodea a la raíz decrece a medida que la asociación entre la bacteria y la planta sea más íntima. Muchos taxa comunes en el suelo no pueden colonizar la raíz ya sea por el sistema inmune de la planta, por competencia con otras bacterias que colonizan mejor o simplemente por que son metabólicamente incapaces de colonizar el nicho del compartimiento endofítico.
La colonización endofítica también depende del genotipo de la planta y del tipo de suelo y los autores comparan el metagenoma endofítico al microbioma del tracto digestivo en el que los diferentes enterotipos proveen un amplio potencial metabólico combinado con un nivel bajo de asociación con el genotipo particular de su hospedero.
Brenda Toledo Rojas
ReplyDeleteDefining the core Arabidopsis thaliana root microbiome
La raíz es muy importante en las plantas, ya que la relación que guardan éstas con el suelo es mediada por su raíz, ésta también altera el Ph del suelo, la disponibilidad de oxígeno y la actividad antimicrobiana. La microbiota presente en la raíz le puede brindar salud a la planta: mejorando su crecimiento, suprimiendo organismos patógenos y/o haciéndola más resistente al ambiente.
La estructura de la comunidad microbiana difiere entre especies de plantas y no solamente se debe a la influencia del tipo de suelo, también existen reportes de genotipos dependiente de hospederos dentro de patrones de asociaciones microbianas.
Lo que hicieron los autores fue desarrollar un sistema experimental que les permitió muestrear repetidamente el microbioma de la raíz mediante una secuenciación profunda. Los autores compararon la comunidad del compartimento endofítico y la periferia de la raíz, así como también las diferencias en las etapas de desarrollo de la planta, usando OTUs.
Los resultados concuerdan con los estudios previos, es decir, el microbioma tiene mucha contribución en el genotipo de la planta. Miembros de Actinobacteria fueron dominantes en el compartimento endofítico de la raíz, así como miembros de Proteobacteria y Firmicutes. Para la rizósfera y suelo fue diferente, ya que aquí dominaron miembros de Acidobacteria, Verrucomicobia y Gammatimonadetes que no pueden colonizar el compartimento endofítico. La hipótesis inicial de los autores se confirmó: las plantas que crecen en condiciones controladas son dependientes de sus hospederos en diferentes tipos de suelo y en distintas etapas de desarrollo.
Defining the core Arabidopsis thaliana root microbiome
ReplyDeleteGrisel Córdova Villalba
Las plantas mediante sus raíces modifican el ambiente que las rodea, originando cambios de pH, de disponibilidad de oxígeno, de la estructura en sí de la tierra, lo cual le permite tener interacciones con cierto tipo de microbiota que conforma el suelo que las rodea, la rizosfera, y con las que están en sus compartimentos endofíticos. La microbiota que habita este nicho puede proveer a la planta de nutrientes y fitohormonas que mejoran el crecimiento, reprimir fitopatógenos o ayudar a resistir a las plantas el calor, la sal y la sequía, aunque también hay organismos que pueden dañarla.
Anteriormente se había reportado que la estructura de las comunidades microbianas difiere a través de las especies de plantas y que las asociaciones eran dependientes del genotipo del hospedero, sin embargo, los métodos utilizados en estos análisis eran muy diferentes y de resolución baja y las muestras eran bastante pequeñas, por lo cual se intenta construir un sistema experimental robusto con muestras más grandes y bajo diferentes condiciones ambientales, que permita obtener mediante el análisis de secuencias, cuál es la función del microbioma y cuáles son los genes que contribuyan a estas asociaciones.
Encontraron que los principales factores que contribuyen al desarrollo de las interacciones eran en orden de importancia, la fracción de la planta donde se lleva a cabo la interacción, el tipo de suelo y en menor grado el estado de desarrollo y el genotipo del hospedero.
Analizaron 256 OTUs para diferenciar comunidades de rizosfera y del compartimento endofítico (EC), del suelo. De los cuales 164 mostraron una mayor cantidad en el compartimiento endofítico, lo cual define el microbioma de Arabidopsis thaliana. De estos 164, 97 se presentaron en los 2 tipos de suelo analizados, lo cual sería el core del microbioma EC y 67 dependían del tipo de suelo donde se encontraban. 32 fueron empobrecidos, lo que sugiere que el sistema inmune de la planta se opuso a la colonización, fueron superadas por las otros organismos o bien no se adecuan metabólicamente al nicho.
El microbioma de EC fue dominado por Actinobacterias (principalmente Streptomucetaceae) que se destacan por la producción de metabolitos secundarios, Proteobacterias (alfa: Rhizobiaceae y Methylobacteriaceae y gama: Pseudomanadaceae y Moraxellaceae) que producen compuestos que promueven el crecimiento de las plantas, y Firmicutes, y fue empobrecido de Acidobacterias, Gemmatimonadetes y Verrucomicrobia.
Se encontraron 2 OTUs, uno para cada tipo de suelo, dependientes del genotipo del hospedero, ambos fueron Actinobacterias. Esto podría indicar una función específica dentro del metagenoma de la población de la que forma parte, que es una necesidad y que la tiene debido a las condiciones ambientales a las que está sometida.
De acuerdo a los resultados obtenidos, encontramos un gran número de OTUs formando el microbioma EC que no cambian a pesar de variar las condiciones de las que dependen las interacciones, al hacer el análisis de estos OTUs, se ve que pertenecen a funciones de metabolismo y crecimiento, lo cual sugiere que son funciones vitales no sólo para Arabidopsis thaliana, sino también para otros taxa, con lo cual podría extrapolarse a otras plantas y diseñarse probióticos para éstas.
Martha Segura G.
ReplyDeleteEvolución de las interacciones microbianas, 2015-2
8 abril 2015
Ensayo Lunberg et al (2012). Defining the core Arabidopsis thaliana root microbiome
El objetivo del trabajo fue por un lado conocer la composición bacteriana de tres regiones que están muy próximas espacialmente entre sí en la raíz de Arabidopsis thaliana: la rizosfera (zona aledaña a la raíz), el espacio endofítico (el interior de la raíz) y el suelo en el que crecía la planta; por otro descifrar a qué se debía la diversidad que encontraran, si a características propias de la raíz o el suelo, por lo que parte del diseño experimental consistió en estudiar plantas que crecían en dos suelos diferentes aunque en condiciones de crecimiento controladas para ser idénticas, de modo que sólo la naturaleza del suelo fuera un aspecto variable.
A través de la pirosecuenciación, obtuvieron un total de 778 OTUs (secuencias) de un fragmento del gen 16S que pertenecían a diversas familias o grupos de bacterias. Posteriormente, se determinó la abundancia de cada OTU en cada una de las tres fracciones estudiadas, y se encontró que en cada fracción, la diversidad y la abundancia de los OTUs es diferente, y específicamente, que la comunidad del espacio endofítico es distinta a la de la rizosfera y el suelo.
Los factores que determinan tal diversidad son en primer lugar la región endofítica, pues las condiciones del interior de la raíz son tan particulares que solamente ciertas bacterias pueden habitar allí; en segundo lugar se encuentra la naturaleza del suelo, lo cual es muy lógico de pensar si consideramos la alta diversidad de suelos que existe, que varían en condiciones físicas, químicas, o mineralógicas y que en conjunto promueven la existencia una comunidad singular de microorganismos.
Con los resultados anteriores, me parece que el artículo realiza una caracterización o determinación de la diversidad y abundancia de las bacterias que conforman la raíz de Arabidopsis, y no tanto una definición de las comunidades como lo indica el título.
Uno de los resultados que me pareció muy interesantes es que la comunidad del interior de la raíz sea particularmente distinta a la de la rizosfera y el suelo, lo cual significa que existe un mecanismo que permite que sólo algunas bacterias puedan ingresar y permanecer dentro de la raíz, por medio de interacciones benéficas para ambas partes, por ejemplo mutualismo. Una vez que se conozca la gama de nichos que pueden ocupar las bacterias encontradas en este estudio, se puede indagar sobre la función e importancia que podrían cumplir las mismas en las tres comunidades.
El aspecto gráfico del artículo y en particular la figura 2 me llamó mucho la atención por su capacidad de reunir árboles filogenéticos, árboles de conjuntos de OTUs y abundancia de los últimos en un solo gráfico, con los ejes presentados como árboles y el uso de colores para indicar la abundancia.
A los análisis de diversidad y riqueza, yo le añadiría un seguimiento estacional, para saber cómo puede llegar a cambiar la diversidad, la dominancia o la cantidad de ciertos microorganismos o genotipos en un lugar de cierta estacionalidad, para saber cómo respondería la planta ante condiciones ambientales cambiantes, sobre todo si el estudio sugiere que uno de los fines últimos podría ser de interés agrícola.
Alan Heres
ReplyDeleteEl éxito de las plantas para habitar los nichos terrestres depende estrechamente de las interacciones entre las estructuras rizosféricas de la planta, es decir, las raíces, y los microbios (tanto con procariontes como con hongos). Esta interacción favorece el intercambio de nutrientes y moléculas, por ejemplo, factores de promoción del crecimiento y supresión de enfermedades.
La interacción entre planta-procarionte o comunidad microbiana (microbioma) generalmente es recíproca. Se tiene el conocimiento de que las raíces influyen alterando la estructura del suelo, variando el pH y la disponibilidad de oxígeno, controlan la densidad de la microbiota mediante acción antimicrobiana o mimetizando las señales de quorum, también proveen fuentes de carbono y energía, por ejemplo, mediante la misma materia orgánica de la raíz muerta o mediante la liberación de exudados ricos en carbono. Sin embargo, la microbiota que habita este nicho puede beneficiar o socavar la salud de la planta dependiendo de múltiples factores. Las relaciones mutualistas (con un amplio interés agronómico) proveen a las plantas de nutrientes biológicamente accesibles y pueden ayudar a resistir el calor y las sequias.
Recientes estudios usando las nuevas tecnologías de secuenciación han determinado, al menos, de manera parcial la composición (dado que solo se han enfocado en los procariontes) y organización microbiana de diferentes plantas tales como; Arabidopsis, Populus y miaz. La caracterización detallada del microbioma del núcleo de la raíz de Arabidopsis mostro que los phyla dentro de la raíz (la endosfera o compartimento endosférico (EC)) son mucho menos diversos que los phyla en los alrededores del suelo. En el caso de Arabidopsis el microbioma endofítico exhibe un tipo de variación dependiente del genotipo dentro de las especies y un incremento en la variación con especies relacionadas. Por otro lado, el microbioma examinado del maíz de diferentes sitios presentaron una mayor variación derivada de la localización geográfica y una dependencia relativamente menor del genotipo. Sin embargo, recién comienza a generarse nuevos conocimientos de la composición y estructura de los microbiomas y los factores que afectan a estos. Una de las preguntas clave en el entendimiento de las interacciones entre planta-microbioma es saber cómo se da el ensamblaje, es sabido que en animales sus microbiomas están íntimamente relacionados con sus dietas y estos se dan internamente y estos son transmitidos de generación en generación a través del nacimiento, al menos, de manera relativa, en el caso de las plantas sus microbiomas son predominantemente asociados a los microbios del suelo considerando que existe una gran diversidad de estos. Basado en la composición del microbioma en la rizosfera y la endosfera, se ha propuesto, que las plantas pueden ensamblar su microbioma en dos pasos, el primer paso involucra un reclutamiento de microorganismos de la vecindad de la raíz y segundo el cual involucra la entrada a la raíz (endosfera) tiene que ver con factores genéticos especie específicos.
Alejandra Hernández Terán
ReplyDeleteDefining the core Arabidopsis thaliana root microbiome
Derek S. Lundberg et al, 2012.
Una gran cantidad de plantas terrestres viven en asociación con microorganismos en sus raíces, estos principalmente bacterias, contribuyen en el crecimiento, productividad, secuestro de carbono y fitorremediación. Para que estas funciones puedan llevarse a cabo es necesario un set de microorganismos que cumplan a diferentes niveles con estas funciones, esto explica el hecho de que la colonización de la raíz ocurre a través del sistema inmune de la planta, es decir, los organismos que habitan estos nichos no lo hacen de manera azarosa, sino que gracias a mecanismos internos, la planta puede discriminar entre mutualistas, comensalistas o patógenos, y seleccionar aquellos que le briden más beneficios; así, la composición final de la microbiota de la raíz es una parte de los microorganismos totales del suelo.
Utilizando la planta modelo Arabidopsis thaliana, y dos tipos de suelo, secuenciaron el gen 16S de la raíz de plantas crecidas en condiciones controladas, separando en rizósfera y compartimento endofítico. Utilizando la plataforma de pirosecuenciación 454, se obtuvo el metagenoma de 600 plantas, eliminando las lecturas pertenecientes a Archaea y cloroplastos, ya que lo que se quería observar era la dinámica únicamente de Bacteria. Se agruparon las secuecias a 97 de similitud para formar las Unidades Taxonómicas Operacionales OTU y se trabajó sobre ellas.
Los autores proponen que las principales fuentes de variación en la selección de la microbiota de la raíz son: los compartimentos de la raíz, tipo de suelo y edad de la planta. Para corroborar esto se plantearon una metodología que permitió comparar estas variables y definir cuál es la de mayor influencia, para esto utilizaron un PCoA en el que descubren que el tipo de suelo tiene gran influyencia en la selección, pero no más que los compartimentos. De igual forma realizan un análisis UniFracc para observar la distancia entre variables según la relación filogenética de las secuencias, lo cual constata el primer resultado de que la variable con mayor peso es el compartimento de la raíz.
Junto con otros análisis, concluyen principalmente que la mayor influencia en la colonización de la raíz la ejercen estos compartimentos en los que se divide el nicho, seguido del tipo de suelo el cual representa el pool de microorganismos del cual la planta selecciona, por lo que tiene gran incidencia. Concluyen además que la edad de la planta no tiene mayor influencia, aunque creo que esa parte debería desarrollarse mejor, ya que existe literatura que ha encontrado cambios en la comunidad según el desarrollo fenológico de las plantas, esto en algodón y maíz, principalmente. Finalmente, creo que el artículo hace una aportación importante en cuanto a metodología, ya que es de los primeros en separar por compartimentos la raíz, tanto es así que a partir de su publicación ha habido muchos autores que siguiendo su metodología llegan a conclusiones similares en otros organismos, ayudando al estudio de esta área recientemente desarrollada.