En la entrada anterior presentamos el suelo desde una perspectiva general. En este artículo nos adentramos en la relación entre las plantas y los microbios del suelo. Probablemente, el entorno más complejo y desconocido del planeta.
Antes de comenzar, una nota. Las primeras líneas incluyen un resumen de la entrada anterior. Si no deseas leerlo, puedes empezar a leer desde el lugar marcado con una flecha (=>).
Orígenes de la Relación
Desde que surgió la vida, hace 3.700 millones de años (Ma), esta se desarrolló exclusivamente en medio acuático durante unos 2.000 Ma. Los bio-paleontólogos aseguran que la radiación, los cambios bruscos de temperatura y el carácter agreste de la superficie la convertían en un entorno inhóspito. Sin embargo, a medida que el número de organismos vivos aumentaba, los nutrientes orgánicos del mar se fueron agotando y las bacterias y algas fotosintéticas proliferaron, llegando a ocupar las orillas del océano.
Los biopolímeros que habían servido para agregar células diferentes en consorcios acuáticos seguramente contribuyeron a que se sujetasen a la superficie. Con el tiempo,
propiciaron cierta protección frente a la desecación y la radiación. A partir de ellas surgieron estructuras biológicas más complejas, acumulando partículas de polvo de la piedra con otros polímeros (Imagen izquierda).
Se estima que estas estructuras fueron las dominantes en la superficie hasta hace unos 470 Ma. En ese momento, algunos organismos pasaron de formar colonias a una organización multicelular. Dicho de otro modo, las primeras plantas (este es un tema que ya tratamos en una entrada anterior).
=> Según los fósiles encontrados, las primeras plantas se parecían mucho a las que ahora conocemos como plantas hepáticas (Imagen debajo).
Estas plantas tienen la capacidad de realizar la fotosíntesis, empleando la energía lumínica para sintetizar azúcares. Para obtener elementos esenciales como el fósforo, nitrógeno y otros microelementos, como hierro, manganeso, potasio, etc.) cuentan con las capacidades de los consorcios de suelo, a cambio de una parte de sus azúcares. Esta relación esencial para sobrevivir viene de muy atrás, por tanto.
Para la época en la que surgieron las primeras plantas vasculares (hace 443-419 Ma), el suelo ya se asemejaba al que conocemos hoy. Los hongos, las bacterias, los protozoos y los artrópodos (arácnidos, insectos o miriápodos) formaban ya parte del suelo. Posteriormente (entre 419 y 358 Ma), las plantas leñosas se elevaron del suelo y dominaron el paisaje. Para ello desarrollaron aún más su relación los microbios del suelo.
Características: Diversa y Sofisticada
Las plantas representan hoy aproximadamente el 15% de las especies descritas en el planeta y todas comparten una relación en consorcio con los organismos del suelo, a la medida, no de cada especie, sino la de cada indivíduo y sus circunstancias. Veamos algunos aspectos que se han desvelado hasta ahora.
Sólo una pequeña parte del centenar de miles de especies estimadas de microorganismos del suelo se encuentran activas en un momento dado. El resto se encuentra en situación latente (suspendida) a la espera de las condiciones específicas a las que están adaptadas. Esto da cuenta del amplio espectro de situaciones ante las que el suelo puede adaptarse y responder.
Menos del 1% de los microbios del suelo se pueden cultivar en el laboratorio. Aunque los restos de ADN indican que está repleto de microbios, por el momento no podemos aislarlos, cultivarlos o reconocerlos visualmente. Esto indica que los microentornos del suelo son seguramente complejos y desconocidos.
Los estudios realizados con comunidades de plantas han demostrado que los niveles de productividad y resiliencia frente a los cambios son mejores a medida que aumenta el grado de diversidad de las plantas. Esto señala que la diversidad genera complementariedad entre las plantas y sus consorcios del suelo. El todo es más que la suma de las partes.
Los consorcios de raíz de una planta son capaces de intercambiar nutrientes, microorganismos e información con los de una planta cercana.
A continuación, se ofrecen algunas evidencias.
Intercambio de Energía y Nutrientes
El modelo clásico sobre la dinámica de nutrientes en el suelo contempla que el carbono asimilable del suelo se libera como consecuencia de la descomposición del material vegetal por los microbios.
A partir de los microbios se desarrolla la cadena trófica: los protozoos consumen microbios, los pequeños artrópodos a los protozoos, etc. Otros elementos necesarios, como el nitrógeno, el fósforo, el azufre y los microelementos ya mencionados se asimilan en formas libres (fosfatos, sulfatos, nitratos sales de hierro, magnesio, etc.).
Sin embargo, las investigaciones llevadas a cabo en las dos últimas décadas apuntan a que existe un sistema adicional que parece tener un mayor protagonismo.
Moléculas basadas en el carbono (en gran medida azúcares) exudadas por las raíces se postulan como la fuente de energía fácilmente asimilable más importante para los microbios. Estos, a cambio, proveen a la planta de formas asimilables de los otros elementos y microelementos (como describimos para las hepáticas).
Estos procesos ocurren en la interfaz entre la raiz y los consorcios de microbios, en microentornos exteriores (imagen izquierda) o dentro de las mismas raíces (imagen derecha).
El intercambio no se limita al entorno próximo de la raiz. Las micorrizas (hongos filamentosos especializados en el intercambio a distancia) reciben exudados de carbono y los distribuyen a entornos lejanos (a metros) para obtener nutrientes de otros microbios, seguramente asociados a otra planta.
Relaciones entre Plantas
Gracias a la capacidad de comunicación a larga distancia que ofrecen las micorrizas, la comunicación entre plantas es posible.
La pionera investigadora de las relaciones entre plantas Suzanne Simard estudió la relación que podían tener el abedul papirifero (Betula papyrifera) y el abeto de Douglas (Pseudotsuga menziesii) utilizando isótopos racioactivos de carbono.
Sus estudios demostraron que, en verano, el abdul, que tenía una mayor capacidad de fotosíntesis gracias a sus amplias hojas, compartía parte de sus exudados con el ensombrecido abeto a través de las micorrizas. En invierno, sin embargo, el abedul se quedaba sin hojas, pero recibía el exudado del abeto. Esta colaboración en beneficio mutuo no era indiscriminada. En la misma investigación, Simard analizó si un cedro próximo entraba en el intercambio de exudados y determinó que no intercambiaba sustáncias orgánicas. Estudios posteriores mostraron que los árboles pueden encauzar exudados radiculares a sus propios retoños (plántulas) para mejorar sus posibilidades de supervivencia.
Microbios y Funciones a Elegir Según las Condiciones
El intercambio de energía y nutrientes es sólo una parte del sistema gestionado por los consorcios del suelo. En las dos últimas décadas, los trabajos de investigación han determinado que también se intercambian otros tipos de recurso, como microorganismos que confieren nuevas capacidades a las plantas.
En 2008, un equipo de investigadores estadounidenses publicó un sorprendente descubrimiento. En las zonas costeras y de agua caliente (geotérmica), las plantas gramíneas de la zona eran especialmente tolerantes a la sal y al calor, respectivamente. Estas adaptaciones se debían a la acción de hongos simbóticos que se encontraban en el interior de las plantas (endofitos). Los endofitos de los entornos geotérmicos aportaban tolerancia al calor, pero no a la sal. Los endofitos de entornos costeros, en cambio, aportaban tolerancia a la sal, pero no al calor. Los hongos aislados en hábitats sin estrés salino o térmico no aportaban esas tolerancias. Los hongos endofitos aislados en un entorno agrícola, sin embargo, contribuian a resistir ciertas enfermedades, pero no a los estreses salino o térmico. Por lo tanto, los investigadores plantearon como hipótesis que las plantas incorporaban endofitos adecuados de los consorcios del suelo en función del tipo de estrés prevalente en cada habitat.
Para comprobar su hipótesis, los investigadores lograron que los hongos endofitos provenientes de plantas de los entornos agrícolas, costeros y geotérmicos colonizasen plantas de tomate. Los tomates colonizados por los endofitos mostraron tolerancia a las enfermedades, la sal y el calor, respectivamente, que conferían a las gramíneas. Finalmente, los endofitos de las plantas costeras se introdujeron en la planta de arroz, confirmándose que le conferían tolerancia a la sal. En aquel trabajo se mostró claramente que los endofitos pueden colonizar un amplio abanico de las plantas y estas pueden beneficiarse del ámplio espectro de organismos en el suelo para mejorar su supervivencia, a cambio de una módica cuota de mantenimiento.
En la última década se han reconocido las siguientes tolerancias a estrés de la mano de distintos enfofitos: calor, frío, hídrico (sequía), exceso de agua (encharcamiento), ataque por insectos, osmótico, enfermedades de hongos, escasez de nutrientes y toxicidad por metales pesados.
A propísito de este último estrés., en la imagen izquierda se muestra el efecto de la presencia de un endofito (Paecilomyces formosus cepa LHL10) sobre la tolerancia al Niquel en plantas de soja (ver referencias).
Cuanto más variados sean los consorcios, más amplia será la gama de microorganismos y beneficios disponibles para la planta.
Para mantener vivos los consorcios, las plantas deben aportar exudados radiculares imprescindibles, ya que estos son los que ofrecen energía fácilmente asimilable para el mantenimiento de los consorcios microbianos.
Cuanto más diversa es la población vegetal, más amplia la red de consorcios.
Red Subterranea de Comunicación
Los consorcios del suelo también actúan como vías de comunicación. Los exudados contienen señales que favorecen la acumulación de microbios alrededor de sus raíces y formen estructuras de intercambio, como los pelos radiculares o los nódulos.
Los mensajes están compuestos por miles de compuestos orgánicos. Estos mensajes "químicos" transmiten información a microbios y plantas sobre las condiciones , organismos acompañantes y cambios en el suelo. Veamos un ejemplo.
En el caso de las habas (Vicia faba), cuando una queda infectada por pulgón, las plantas próximas reciben el aviso a través de la red de micorrizas. Esto les propicia la gran oportunidad de preparar sus defensas con anterioridad al próximo ataque. La molécula que transmite el mensaje se ha identificado recientemente (Levodopa, ver la sección de referencias).
Los investigadores observaron que las plantas que respondían al mensaje no sólo activaban las defensas, sino que atraían en mayor medida a avispas parasitoides (Aphidius ervi, Imagen derecha) que controlan la población de los pulgones. En un trabajo posterior, el mismo grupo aisló tres agentes volátiles del sistema radicular de plantas infectadas que atraían a la avispa (1-octen-3-ol, sulkatona y sulkatol). Estos compuestos estaban ausentes en plantas sanas o desconectadas del sistema radicular de comunicación.
Conclusión
Los consorcios radiculares del suelo intercambian nutrientes, microorganismos (microbios y sus capacidades) e información con la planta y entre plantas. El tema es mucho más complejo de lo que podíamos imaginar y está en sus inicios.
Asegurando la biodiversidad de las plantas facilita la cooperación entre plantas y consorcios diferentes, resultando en mejores resultados para el conjunto de los organismos.
Los consorcios el suelo se forman y reparan espontáneamente. Llevan haciéndolo durante los últimos 400 millones de años.
No aprendemos más de la Naturaleza porque no nos detenemos a observarla.
Referencias
- Sobre el tema de la comunicación entre plantas, recomiendo el “Best Seller” de Suzanne Simard: En Busca del Arbol Madre (2021). Está disponible en las librerías y vendedores de la red. La autora tiene varias charlas en la red una de ellas es esta TED TALK.
- En cuanto al tema de la biodiversidad de las plantas y sus efectos positivos para la colectividad, el trabajo más importante que se está llevando a cabo es el experimento de Jena. Para más detalles, puedes consultar la primera entrada de este blog aquí. El trabajo concreto al que me refiero en esta entrada es un clásico: More diverse plant communities have higher functioning over time due to turnover in complementary dominant species.
- Respecto a las ventajas que confieren los endofitos a las plantas, el artículo citado es otro clásico: Stress tolerance in plants via habitat-adapted symbiosis.
-La foto mostrando la tolerancia de plantas de soja al niquel proviene de este artículo (no recomiendo su lectura): Endophytic Paecilomyces formosus LHL10 Augments Glycine max L. Adaptation to Ni-Contamination through Affecting Endogenous Phytohormones and Oxidative Stress.
- Una revisión actualizada sobre lo que se sabe de la comunicación entre plantas y los microbios del suelo es: The root signals in rhizospheric inter-organismal communications.
- El trabajo que describe la identificación de sustancias que alertan a las plantas de haba de la infección de los pulgones no está disponible en abierto, pero el que alerta a las avispas parasitoides, en el que los mismos autores describen la historia es: Small volatile lipophilic molecules induced belowground by aphid attack elicit a defensive response in neighbouring un-infested plants.
-No lo he mencionado en el texto, pero hace tiempo que se conoce el uso que las bacterias hacen de los hongos filamentosos como carriles para moverse por el suelo. Merece la pena ver este video: Bacteria fungal highway
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