Las praderas marinas en el mar Mediterráneo viven en simbiosis con bacterias que residen en sus raíces
Las praderas marinas cubren grandes extensiones de mares costeros poco profundos, donde proporcionan un hábitat vital. También eliminan grandes cantidades de dióxido de carbono (CO2) de la atmósfera y lo almacenan en el ecosistema.
Sin embargo, las praderas marinas necesitan nutrientes para prosperar, particularmente nitrógeno. Hasta ahora, los investigadores han asumido que las plantas absorben el nitrógeno principalmente del agua de mar y los sedimentos circundantes. Sin embargo, en muchas de las regiones donde los pastos marinos son más exitosos, se encuentra poco nitrógeno.
Investigadores del Instituto Max Planck de Microbiología Marina en Bremen muestran ahora que las praderas marinas en el mar Mediterráneo viven en simbiosis con bacterias que residen en sus raíces y proporcionan el nitrógeno necesario para el crecimiento. Anteriormente, estas simbiosis solo se conocían de plantas terrestres.
Las praderas marinas están muy extendidas en las regiones costeras poco profundas de mares templados y tropicales, cubriendo hasta 600.000 kilómetros cuadrados, que es aproximadamente el área de Francia. Forman la base de todo el ecosistema, que alberga numerosos organismos, algunos de ellos especies en peligro de extinción, como tortugas, caballitos de mar y manatíes, y zona de cría de muchas especies de peces de importancia económica.
Además, las praderas marinas protegen las costas de la erosión causada por las marejadas ciclónicas y secuestran cada año millones de toneladas de dióxido de carbono, que se almacena durante largos períodos de tiempo en el ecosistema llamado "carbono azul".
Vida exuberante a pesar de la falta de nutrientes
El hábitat de muchas praderas marinas es pobre en nutrientes, como nitrógeno, durante gran parte del año. Aunque el nitrógeno es abundante en el mar en su forma elemental (N2), los pastos marinos no pueden utilizarlo en esta forma. ¿Cómo pueden prosperar las plantas? Es gracias a sus microscópicos socios ahora descubiertos: simbiontes bacterianos que viven dentro de las raíces de las plantas que convierten el gas N2 en una forma que las plantas pueden usar.
Wiebke Mohr y sus colegas del Instituto Max Planck de Microbiología Marina en Bremen, Alemania, Hydra Marine Sciences en Bühl, Alemania, y el Instituto Suizo de Investigación del Agua Eawag ahora describen cómo funciona esta relación íntima entre praderas marinas y bacterias.
Imagen derecha: Una parte de la bahía de Fetovaia, en la que se recuperaron la mayoría de las muestras de este estudio. Crédito: Wiebke Mohr/Instituto Max Planck de Microbiología Marina
Armonía en las raíces
"Se asumió que el llamado nitrógeno fijo de las praderas marinas proviene de bacterias que viven alrededor de sus raíces en el lecho marino", explica Mohr. "Ahora mostramos que la relación es mucho más estrecha: las bacterias viven dentro de las raíces de las praderas marinas. Esta es la primera vez que se muestra una simbiosis tan íntima en las praderas marinas. Anteriormente solo se conocía de plantas terrestres, especialmente especies de importancia agrícola como legumbres, trigo y caña de azúcar". Estas también tienen bacterias simbióticas, a las que suministran carbohidratos y otros nutrientes a cambio de fijar nitrógeno. También se produce un intercambio muy similar de productos metabólicos entre la hierba marina y su simbionte.
Las bacterias que viven en las raíces de las praderas marinas son un nuevo descubrimiento. Mohr y su equipo las llamaron Celerinatantimonas neptuna, en honor a su anfitrión, la hierba de neptuno (Posidonia). Previamente se han encontrado parientes de C. neptuna asociados con algas marinas.
"Cuando las praderas marinas se trasladaron de la tierra al mar hace unos 100 millones de años, probablemente adoptaron las bacterias de las algas", especula Mohr. "Copiaron virtualmente el sistema que tuvo mucho éxito en tierra y luego, para sobrevivir en el agua de mar pobre en nutrientes, adquirieron un simbionte marino".
El estudio actual examinó las praderas marinas del género Posidonia en el mar Mediterráneo. Sin embargo, estas simbiosis también pueden ocurrir en otros lugares. "Los análisis genéticos sugieren que también existen simbiosis similares en pastos marinos tropicales y en marismas", dice Mohr. "De esta manera, estas plantas con flores logran colonizar una amplia variedad de hábitats aparentemente pobres en nutrientes, tanto en el agua como en la tierra".
Imagen: La simbiosis bajo el microscopio: a la izquierda una sección transversal a través de una raíz de algas marinas, a la derecha una imagen de fluorescencia de la bacteria (en rosa) dentro de la raíz de algas marinas. Crédito: Daniela Tienken/Soeren Ahmerkamp/Instituto Max Planck de Microbiología Marina
Variando con las estaciones
A medida que cambian las estaciones, varía la cantidad de nutrientes presentes en el agua costera. En invierno y primavera, los nutrientes presentes en el agua y los sedimentos parecen suficientes para las praderas marinas. "En ese momento, encontramos simbiontes dispersos en las raíces de las plantas, pero probablemente no sean muy activos", dice Mohr.
En verano, cuando aumenta la luz solar y crecen más y más algas y consumen los pocos nutrientes disponibles, el nitrógeno se vuelve rápidamente escaso. Entonces los simbiontes se hacen cargo. Suministran directamente a las praderas marinas el nitrógeno que necesitan. Así es como ellas pueden alcanzar su mayor crecimiento en verano, cuando los nutrientes son más escasos en el medio ambiente.
Muchos métodos diferentes para una imagen clara
El presente estudio une todo el ecosistema, desde la productividad de las praderas marinas hasta los simbiontes que viven en sus raíces y, en última instancia, alimentan el sistema.
Para lograr esto, los investigadores utilizaron una variedad de diferentes métodos para comprender la simbiosis de la manera más completa posible: las mediciones de oxígeno realizadas en las aguas del mar Mediterráneo revelaron la productividad de la pradera de pastos marinos. Las técnicas de microscopía, en las que las especies bacterianas individuales están marcadas con colores (conocidas como FISH), ayudaron a visualizar las bacterias dentro y entre las células de la raíz de las praderas marinas. En el NanoSIMS, un espectrómetro de masas de última generación, mostraron la actividad de las bacterias individuales. Los análisis genómicos y transcriptómicos revelaron qué genes son probablemente particularmente importantes para la interacción y que estas vías se utilizan mucho.
Como resultado, los investigadores lograron proporcionar una descripción sólida y detallada de esta increíble colaboración. "Nuestro próximo paso es estudiar con más detalle estas nuevas bacterias", dice Mohr. "Queremos aislarlas en el laboratorio para investigar más a fondo cómo funciona la simbiosis y cómo se desarrolla. Sin duda, también será emocionante buscar sistemas comparables en otras regiones y hábitats".
El estudio fue publicado en la revista Nature: Terrestrial-type nitrogen-fixing symbiosis between seagrass and a marine bacterium
