Biólogos de Georgia Tech revelan procesos ecológicos nunca antes vistos
Las marismas de agua salada de Georgia, Estados Unidos, que se hallan donde la tierra se encuentra con el océano, se extienden a lo largo de toda la costa de 100 millas del estado (160 km). Estos ricos ecosistemas están dominados en gran medida por una sola planta: la espartina.
También conocida como espartillo de cangrejal o borraza (Spartina alterniflora), la planta es una ingeniera de ecosistemas que proporciona hábitats para la vida silvestre, limpia naturalmente el agua a medida que avanza desde el interior hacia el mar y mantiene unida la costa para que no colapse. La borraza incluso protege a las comunidades humanas de las mareas.
Comprender cómo se mantienen saludables estas plantas es de crucial importancia ecológica. Por ejemplo, un factor de estrés vegetal conocido que prevalece en los suelos de las marismas es el compuesto de azufre disuelto, el sulfuro, que es producido y consumido por las bacterias.
Pero si bien la costa de Georgia cuenta con una rica tradición de investigación ecológica, ha sido difícil comprender las formas matizadas en que las bacterias interactúan con las plantas en estos ecosistemas. Gracias a los recientes avances en tecnología genómica, los biólogos de Georgia Tech han comenzado a revelar procesos ecológicos nunca antes vistos.
Imagen: El becario postdoctoral de Georgia Tech, José Rolando (derecha) y la estudiante de posgrado Gabrielle Krueger preparan muestras para análisis químicos en el campo en la isla Sapelo, Georgia. Crédito: Instituto de Tecnología de Georgia
Joel Kostka, Profesor Distinguido Tom y Marie Patton y presidente asociado de Investigación en la Facultad de Ciencias Biológicas, y José Luis Rolando, becario postdoctoral, se propusieron investigar la relación entre la hierba Spartina alterniflora y las comunidades microbianas que habitan en sus raíces, identificando las bacterias y sus funciones.
"Así como los humanos tenemos microbios intestinales que nos mantienen sanos, las plantas dependen de los microbios en sus tejidos para su salud, inmunidad, metabolismo y absorción de nutrientes", dijo Kostka. "Si bien conocemos desde hace mucho tiempo las reacciones que impulsan el ciclo de nutrientes y carbono en las marismas, no hay tantos datos sobre el papel de los microbios en el funcionamiento del ecosistema".
Imagen: El gradiente de biomasa de Spartina alterniflora como laboratorio natural.
En la marisma
Una forma importante en que las plantas obtienen sus nutrientes es mediante la fijación de nitrógeno, un proceso en el que las bacterias convierten el nitrógeno en una forma que las plantas puedan utilizar. En las marismas, este papel se ha atribuido principalmente a los heterótrofos, o bacterias que crecen y obtienen su energía del carbono orgánico. Las bacterias que consumen la toxina vegetal sulfuro son quimioautótrofas y utilizan la energía de la oxidación del sulfuro para alimentar la absorción de dióxido de carbono y producir su propio carbono orgánico para su crecimiento.
"A través de trabajos anteriores, sabíamos que Spartina alterniflora tiene en sus raíces bacterias de azufre y que hay dos tipos: bacterias oxidantes de azufre, que utilizan el sulfuro como fuente de energía, y reductoras de sulfato, que respiran sulfato y producen sulfuro, una conocida toxina para las plantas", dijo Rolando. "Queríamos saber más sobre el papel que desempeñan estas diferentes bacterias del azufre en el ciclo del nitrógeno".
Kostka y Rolando se dirigieron a la isla Sapelo, Georgia, donde realizaron regularmente trabajo de campo en las marismas. Adentrándose en la marisma, con palas y cubos en mano, los investigadores y sus estudiantes recolectaron espartina junto con muestras de sedimentos fangosos que se adhieren a sus raíces. De vuelta en el laboratorio de campo, el equipo se reunió alrededor de un recipiente lleno de agua de un arroyo y lavó cuidadosamente la hierba, separando suavemente las raíces de las plantas.
A continuación, utilizaron una técnica especial que usa versiones más pesadas de elementos químicos que se encuentran en la naturaleza como trazadores para rastrear los procesos microbianos. También analizaron el ADN y el ARN de los microbios que viven en diferentes compartimentos de las plantas.
Imagen: Joel Kostka, profesor distinguido Tom y Marie Patton y presidente asociado de investigación en la Facultad de Ciencias Biológicas. Crédito: Instituto de Tecnología de Georgia
Utilizando una tecnología de secuenciación conocida como secuenciación metagenómica de escopeta, pudieron recuperar el ADN de toda la comunidad microbiana y reconstruir genomas de organismos recién descubiertos. De manera similar, la secuenciación de ARN no dirigida de la comunidad microbiana les permitió evaluar qué especies microbianas y funciones específicas estaban activas en estrecha asociación con las raíces de las plantas.
Utilizando esta combinación de técnicas, descubrieron que las bacterias quimioautótrofas oxidantes de azufre también participaban en la fijación de nitrógeno. Estas bacterias no sólo ayudaron a las plantas a desintoxicar la zona de las raíces, sino que también desempeñaron un papel crucial en el suministro de nitrógeno a las plantas. Este doble papel de las bacterias en el ciclo del azufre y la fijación de nitrógeno resalta su importancia en los ecosistemas costeros y su contribución a la salud y el crecimiento de las plantas.
"Las plantas que crecen en áreas con altos niveles de acumulación de sulfuro tienden a ser más pequeñas y menos saludables", dijo Rolando. "Sin embargo, descubrimos que las comunidades microbianas dentro de las raíces de espartina ayudan a desintoxicar el sulfuro, mejorando la salud y la resistencia de las plantas".
Imagen: Investigadores lavando raíces de espartina para análisis microbianos. Crédito: Instituto de Tecnología de Georgia
Importancia local a global
Las espartinas no son sólo el actor principal en las marismas de Georgia; también dominan los paisajes pantanosos en todo el sureste, incluidas las Carolinas y la costa del Golfo. Además, los investigadores descubrieron que las mismas bacterias están asociadas con las raíces de espartinas, manglares y pastos marinos en los ecosistemas costeros de todo el planeta.
"Gran parte de la costa en climas tropicales y templados está cubierta por humedales costeros", dijo Rolando. "Es probable que estas áreas alberguen simbiosis microbianas similares, lo que significa que estas interacciones impactan el funcionamiento de los ecosistemas a escala global".
De cara al futuro, los investigadores planean explorar más a fondo los detalles de cómo las plantas y los microbios de las marismas intercambian nitrógeno y carbono, utilizando técnicas de microscopía de última generación junto con espectrometría de masas de ultra alta resolución para confirmar sus hallazgos a nivel unicelular.
"La ciencia sigue a la tecnología y estábamos entusiasmados de utilizar los últimos métodos genómicos para ver qué tipos de bacterias estaban presentes y activas", dijo Kostka. "Todavía hay mucho que aprender sobre las intrincadas relaciones entre plantas y microbios en los ecosistemas costeros, y estamos empezando a descubrir el alcance de la complejidad microbiana que mantiene saludables las marismas".
El trabajo del equipo fue publicado en Nature Communications: Sulfur oxidation and reduction are coupled to nitrogen fixation in the roots of the salt marsh foundation plant Spartina alterniflora
