Detección de rizobacterias benéficas en cultivos mediante moléculas fluorescentes

Dr. José Humberto Valenzuela Soto

Departamento de Biociencias y Agrotecnología del CIQA

Las plantas en la naturaleza interaccionan con una gran cantidad de microorganismos, muchos de ellos afectan negativamente a la planta, mientras otro grupo le brindan beneficios. Las interacciones benéficas ocurren en etapas tempranas del crecimiento vegetal, siendo principalmente en las raíces donde estos microorganismos benéficos reciben carbono y otros nutrientes [1,2,3]. Estos eventos se dan principalmente en la rizósfera, que es definida como el volumen de suelo alrededor de la raíz y es un hábitat altamente favorable para el crecimiento de microorganismos, los cuales realizan mejoras en la salud de la planta y la fertilidad del suelo [4].

En este sentido, las raíces de plantas liberan una gran cantidad de compuestos en el suelo y éstos podemos encontrarlos de bajo peso molecular como aminoácidos, ácidos orgánicos, azúcares, compuestos aromáticos y metabolitos secundarios, mientras que los de alto peso molecular son polisacáridos y proteínas, principalmente [2]. Parte de estos compuestos, liberados por la raíz se ha demostrado que tienen una función atrayente de rizobacterias benéficas, en particular los ácidos orgánicos. Existen rizobacterias que son promotoras del crecimiento vegetal conocidas como PGPR (del inglés Plant Growth-Promoting Rhizobacteria) que se encuentran asociadas a la rizósfera de plantas cultivables y son reclutadas por diferentes ácidos orgánicos que exuda la planta; a este fenómeno se le conoce como quimiotaxis y se refiere a la migración de estas rizobacterias hacia los compuestos liberados por la raíz [1]. Un típico ejemplo es la planta Arabidopsis thaliana que cuando se infecta con un patógeno, ésta genera como respuesta un incremento en la producción de ácido málico por la raíz, el cual es un fuerte quimio-atrayente de la rizobacteria Bacillus pumilus FB17 [5]. Lo interesante de esto, es que la planta como respuesta al ataque del patógeno comienza a emitir señales de auxilio por la raíz y esto le permite asociarse a una rizobacteria benéfica, que finalmente forma una bio-película y es la que brinda una protección contra los patógenos. Otro ejemplo de rizobacteria es Bacillus amyloliquefaciens que es reclutada mediante los ácidos cítrico, fumárico, málico y succínico liberados por las raíces de tomate [6].

Recientemente, en nuestro grupo de investigación en CIQA se logró demostrar que el empleo de compuestos inductores de defensa aplicados en hojas de tomate, permiten que las raíces incrementen la producción de ácidos orgánicos, siendo éstos el ácido fumárico, málico y succínico. Aunque de estos ácidos, fue el málico el que resultó el mejor atrayente de la rizobacteria Bacillus subtilis LPM1. En este sentido, para comprobar que realmente esta rizobacteria estaba adherida a la raíz, se tiñó con diversas moléculas fluorescentes portadoras por ejemplo con ácido málico (previamente sintetizadas en laboratorio) y mediante microscopía de laser confocal se confirmó la presencia de B. subtilis LPM1 (ver Figura 1) [7]. En este contexto, las investigaciones que estamos realizando en CIQA van encaminadas al diseño, síntesis de un grupo de moléculas fluorescentes y que puedan ser efectivas en la detección de rizobacterias benéficas, en particular la de B. subtilis. Para ello, se pretende seleccionar con pruebas preliminares aquella(s) molécula(s) que sean altamente específicas para B. subtilis y, por último, poder detectarla directamente de raíces de plantas de tomate en cultivo.

Figura 1. Colonización por B. subtilis LPM1 en raíces de tomate y su detección

mediante un marcador fluorescente [7].

Una de las limitantes de la aplicación de rizobacterias benéficas en los cultivos es la pobre colonización, es decir que una baja población bacteriana logra interaccionar con las raíces de plantas cultivables y no se obtienen los beneficios de promoción de crecimiento, biocontrol y rendimientos en las cosechas. Esto puede deberse a diferentes causas, como una mala aplicación de las rizobacterias, características del suelo, microorganismos existentes en el suelo, entre otros. Sin embargo, existen alternativas para poder reducir la pobre colonización, siendo una de estas la aplicación de compuestos inductores para que las plantas incrementen la producción de ácidos orgánicos en las raíces y así, las rizobacterias puedan migrar hacia la planta. Otra alternativa es diagnosticar la presencia de estas rizobacterias en cultivos a campo abierto utilizando moléculas fluorescentes portadoras de biomoléculas que sean específicas a interactuar con cada tipo de rizobacteria.

Así, en nuestro grupo de investigación estamos continuamente diseñando y estudiando nuevas moléculas fluorescentes que tengan alta especificidad por ejemplo para B. subtilis LPM1 bajo condiciones, tanto de laboratorio, como en invernadero y/o de campo. Simultáneamente, el estudio contempla evaluar la resistencia de las plantas de tomate hacía el fitopatógeno Clavibacter michiganensis, la cual es una bacteria que representa una amenaza para los cultivos hortícolas en México, así al emplear la rizobacteria B. subtilis LPM1 se podría brindar protección a los cultivos susceptibles (Figura 2).

Figura 2. . Interacción fitopatógeno-tomate-rizobacteria.

Las interacciones de plantas con rizobacterias benéficas es un tema que ha sido extensamente estudiado desde su promoción de crecimiento, protección foliar y radicular a patógenos e insectos, hasta sus efectos en el incremento de los rendimientos en cosecha. Sin embargo, existen pocos estudios para determinar los patrones de colonización de estas rizobacterias en las raíces de plantas, esto representa una tarea larga y resulta poco práctica para los agricultores por los tiempos y técnicas de detección actuales. Por tal motivo, nuestra investigación ha generado conocimiento que permite el diseño de diagnóstico de estas rizobacterias en plantas bajo condiciones de campo, de forma rápida y sencilla de modo que le ayuda al agricultor a tomar decisiones oportunas.

Nuestra investigación requiere de un trabajo multidisciplinario, y en el CIQA lo hemos integrado por investigadores como la Dra. Ivana Moggio (espectroscopista), Dra. Ileana Vera (metabolismo secundario), Dr. Eduardo Arias (químico) y Dr. Humberto Valenzuela (fitopatología), mientras que, en la Universidad Autónoma Agraria Antonio Narro, trabajamos con el Dr. Alberto Flores Olivas (microbiología agrícola) y la M.C. Mónica Hernández Rodríguez (doctorante).

El presente trabajo ha sido apoyado por el proyecto Interno: 6558 de CIQA en la convocatoria 2020.

Literatura citada:

1. Brencic, A. y Winans, S.C. 2005. Microbiology and Molecular Biology Reviews. 69: 155-194.
2. Van Dam, N., Bouwmeester, H.J. 2016. Trends in Plant Science. 21: 187-198.
3. Venturi, V., Keel C. 2016. Trends in Plant Science. 21: 256-265.
4. Prashar, P., Kapoor, N. y Sachdeva, S. 2014. Reviews in Environmental Science and BioTechnology, 13:63-77.
5. Rudrappa, T., Czymmek, K.J., Pare, P.W., Bais, H.P. 2008. Plant Physiology. 148:1547-1556.
6. Tan, S., Yang, Ch., Mei, X., Shen, S., Raza, W., Shen, Q., Xu, Y. 2013. Applied Soil Ecology. 64: 15-22.
7. Hernández-Rodríguez, M., Ortiz-Castro, R., Flores-Olivas, A., Moggio, I., Arias, E., Valenzuela-Soto, J.H. 2020. Photochemical & Photobiological Sciences. Vol. 19, 1423-1432.