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l concepto de microbioma se refiere a la comunidad ecológica de microorga-nismos, tanto comensales,

como simbióticos e incluso patogé-nicos que comparten un nicho dado. En el caso de plantas, al igual que en humanos (que fueron los primeros en los cuales se reconoció su impor-tancia y que es de donde se origina el término), el microbioma está com-puesto por comunidades que existen en combinaciones de especies únicas y complementarias habitando cada tejido de la planta (hojas, tallo, flo-res, frutos, raíces), además de zonas de importancia fundamental para el vegetal como son la filósfera (super-ficie de hojas), la rizósfera (porción de suelo en contacto inmediato con la superficie de raíces) e incluso el suelo asociado a las raíces. (ver figura 1)Aquellos microorganismos que colo-

nizan el interior de los tejidos de la planta sin causar daño aparente son llamados endófitos.

Las interacciones entre microorga-nismos y cultivos agrícolas han genera-do gran interés desde hace varias déca-das, sobre todo debido a que dichas relaciones pueden resultar muy benefi-ciosas en la promoción del crecimiento de los cultivos, mediante mecanismos tales como la captura más eficiente de nutrientes (ej: micorrizas), fijación de nitrógeno atmosférico (ej: proteobac-terias), incremento de la tolerancia a factores de estrés biótico y abiótico (ej: hongos y bacterias endófitas), y confi-riendo ventajas directas o indirectas en la promoción de crecimiento ya sea por la producción de fitohormonas o por el aumento de la disponibilidad de mine-rales. Otras interacciones positivas resultan del rol que ciertos microorga-nismos poseen como biocontroladores

de enfermedades, empleando diferen-tes estrategias, tales como competen-cia por nicho, liberación de compuestos antimicrobianos como antibióticos, parasitación y colapso de hongos fito-patógenos en el caso de algunos hon-gos antagonistas, y la activación de mecanismos de resistencia sistémica inducida en la planta, gatillada por hon-gos y bacterias.

Aun cuando estas interacciones han sido ampliamente documentadas, la tecnología disponible sólo permi-tía el estudio del impacto en deter-minados cultivos de algunos taxones muy conocidos, como es el caso de Pseudomonas, Bacillus y Trichoderma, entre otros microorganismos, los cua-les pueden ser cultivados en labora-torio, ignorando la enorme diversidad y el impacto de microorganismos no cultivables presentes en el microbio-ma vegetal.

Qué son los microbiomas y cómo pueden ser aprovechados por la agricultura.

ENTORNOAL RESCATE

Dra Priscila Moraga SuazoInvestigadora Postdoctoral en Fitopatología

Molecular. Universidad de CaliforniaDavis en Chile (UC Davis Chile)

UC Davis Chile es el primer centro de innovación de esta universidad estadounidense -líder a nivel mundial en agronomía, veterinaria y forestal- fuera de su país de origen. Sus socios fundacionales son las viñas Concha y Toro y VSPT Wine Group y las universidades de Tarapacá, de Talca y Andrés Bello. Este artículo forma parte una serie que publicará en Mundoagro,con el objetivo de mostrar las nuevas tendencias en I+D.

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UN NUEVO PARADIGMACon el advenimiento de la era

genómica y las nuevas herramientas biotecnológicas, la comunidad cientí-fica ha logrado caracterizar poblacio-nes microbianas desde distintos tipos de muestras, con una cobertura cada vez mayor gracias a las tecnologías de secuenciación masiva. En este sentido, el enfoque metagenómico, que con-

templa el estudio de todo el espectro de microorganismos presentes en una muestra determinada a través del análi-sis del ADN total, ha cobrado gran rele-vancia, permitiendo describir genomas completos para obtener no sólo infor-mación acerca de la riqueza y abundan-cia relativa de las poblaciones micro-bianas del nicho o explorar su potencial biotecnológico, sino también entender

la composición de la comunidad micro-biana y asignar un rol al microbioma no cultivable, lo cual es posible gracias a la tecnología desarrollada por la Dra. Jo Handelsman de la Universidad de Yale, dando inicio a lo que hoy conocemos como metagenómica.

En este sentido, la Universidad de California, Davis (UC Davis, en EE.UU.) ha liderado importantes proyectos

pioneros en el campo del estudio de microbiomas, como por ejemplo el Rice Microbiome Project, a cargo del Dr. V. Sundaresan, cuyo objetivo es determinar cómo las plantas modulan su asociación con los microbiomas presentes en la rizósfera y su aplicación en aspectos tanto agronómicos como ecológicos.

Por otra parte, en el laboratorio del Dr J. Leveau, se cuan-tifica la variación espacio-temporal y funciones de microor-ganismos que colonizan hojas y raíces para su aplicación en biocontrol de patógenos. En tanto en nuestro país, el centro de innovación UC Davis Chile- junto con sus socios fundacionales- se encuentra trabajando en el estudio de microbiomas asociados a enfermedades de la madera de vid, para identificar cuáles son las poblaciones microbianas asociadas a este patosistema y desarrollar herramientas de diagnóstico de los agentes causantes de la enfermedad de manera preventiva. Estas herramientas han generado un nuevo paradigma, si se considera que hasta hace unos años, sólo se tenía acceso a los microorganismos cultivables, que de acuerdo a las últimas estimaciones corresponderían ape-nas al 1 a 2% del total de la comunidad microbiológica. Por tanto, desbloquear el acceso a los microorganismos de los cuales no se conoce actualmente los sistemas adecuados para su cultivo, sin duda resulta en un enorme avance para el estudio de dichos ecosistemas y su relación con su entorno inmediato, en este caso los cultivos agrícolas.

APLICACIONES PRÁCTICASLa agricultura representa uno de los campos que más

requiere de la comprensión de su microbioma asociado. El entendimiento de las comunidades microbianas del suelo asociado a los cultivos, y cómo estos se relacionan con la supresión de enfermedades y su potencial aplicación para mejorar el rendimiento de los cultivos, son los factores fun-damentales para la aplicación del conocimiento del micro-bioma, lo cual se ve confirmado por la activa investigación en esta área, con un creciente número de artículos actual-mente publicados.

La calidad o salud de los suelos tiene un rol preponde-rante, ya que repercute de forma directa en la producción de los cultivos. Hasta hace poco tiempo, la calidad de los suelos estaba asociada y manejada a través de sus propie-dades físicas y químicas. Sin embargo, una de las aristas pobremente exploradas asociada con el entendimiento de la dinámica de suelo y su subsecuente salud o calidad, son las propiedades y procesos biológicos que ocurren en este. Algunas estimaciones indican que la diversidad microbiana en el suelo varía en un rango de entre 2.000 a 11.000 geno-mas por gramo de suelo. Sin embargo la gran diversidad genética y fenotípica de hongos y bacterias, hacen de esta comunidad una de las más difíciles de estudiar.

Uno de los proyectos pioneros en enfrentar este desafío fue el denominado Metacontrol project, que se inició el año 2002 tras convocar a siete laboratorios europeos, princi-palmente desde el ámbito de la academia, con el objetivo de acceder y examinar suelos supresores de fitopatógenos (SSF). Su hipótesis inicial de trabajo fue que el microbioma

FIGURA 1

La rizosfera es una estrecha zona de unos pocos milímetros, donde se produce una interacción única y dinámica entre las raíces y los microorganismos del sueño. El esquema central representa esta zona de interacción entre raíces y bacterias. Mientras que a la derecha se ejemplifica la interacción simbiótica entre las células de la pared de las raíces y los hongos micorrízicos arbusculares (AMF).

Figura adaptada de Phillippot et al. Nature Reviews Microbiology 11, 789-799 (2013)

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influir en valiosas propiedades organo-lépticas en cultivos como la vid.

RIQUEZA DEL SUELOEs conocido que la intensidad en el

uso del suelo agrícola cambia la diver-sidad del microbioma del suelo, el cual no sólo posee un importante rol en la interacción con los cultivos, sino que es clave en el ciclo de nutrientes y la forma-ción de su estructura. Estas funciones son esenciales en el restablecimiento de las funciones del suelo y la biodiver-sidad en la restauración de los ecosiste-mas degradados.

Se ha demostrado que la diversidad y abundancia de ciertos taxones sirven como indicadores del estado del sis-tema suelo en relación a los objetivos de restauración y la efectividad de las intervenciones de manejo. Por tanto, si bien la restauración ecológica de sue-los degradados debe ser enfocada en

forma integrada, se debe considerar como un factor clave que la manipula-ción de las comunidades podría even-tualmente aumentar la tasa de restau-ración de estos suelos.

Sin duda hay un largo camino que recorrer en materia de conocimiento acerca de cómo influyen los microbio-mas en nuestros cultivos y cómo aplicar este conocimiento en estrategias para optimizar el rendimiento de los mismos. Ya hemos iniciado el camino conside-rando la incorporación de consorcios microbianos, pero la brecha es inmen-sa para iniciar el manejo y diseño de microbiomas que puedan mejorar de una manera sustentable el rendimiento de los cultivos y de paso reducir el uso de pesticidas y fertilizantes químicos, además de ser empleados como una herramienta de gran potencial en la res-tauración de suelos degradados.

Tal como ha ocurrido en otros ámbi-

tos de la investigación biológica aplica-da, la investigación básica en el área de los microbiomas puede desembocar en una futura ingeniería de microbio-mas de suelos, permitiendo una mejora integral de rendimiento, estado sanita-rio e incluso propiedades organolépti-cas específicas de los cultivos, de una manera mucho más amigable con el medio ambiente y con un uso racional de los recursos microbiológicos que nos ofrece la naturaleza.

En este sentido, UC Davis Chile ha reconocido la necesidad de poner al servicio del agro no tan sólo conoci-miento y capacidades, sino también generar un enfoque aplicado al uso de microbiomas, con el objetivo de desarrollar herramientas biotecnoló-gicas que potencien la productividad y la competitividad de la agroindus-tria nacional de manera eficiente e innovadora.

de suelos supresores de fitopatógenos contienen un reservorio de loci genéti-cos (sitios que ocupan los genes en el cromosoma) asociados a antibiosis, tal como aquellos envueltos en la pro-ducción de policétidos y quitinasas. Durante el proyecto al menos cuatro SSF fueron identificados: SSF contra Rhizoctonia solani en los Países Bajos; SSF contra Plasmodiosphora brassicae en Suecia; y SSF contra Fusarium spp en Reino Unido y Francia.

Cada vez se publican más estu-dios que destacan la importancia de los microbiomas para la comprensión del fenómeno de suelos supresores de enfermedad y enfatizan que muchos taxones microbianos aún no caracteri-zados pueden ser importantes contri-buyentes a la supresión de patógenos, los cuales no necesariamente se locali-zan donde ocurre la interacción supre-sora del patógeno.

Esto último, dado los recientes hallazgos respecto de que ciertos taxones de hongos endófitos están en mayor abundancia en suelos supreso-res de enfermedad, lo que sugiere que

el potencial antagónico o supresor de enfermedad de las interacciones microbianas puede ocurrir en dife-rentes compartimentos de la planta (microbioma endofítico versus micro-bioma suelo, microbioma rizosférico versus microbioma suelo). Sumado a lo anterior, existe evidencia que sugiere que pequeños cambios a nivel genético entre una planta y otra, estarían modu-lando la composición de exudados radi-culares, lo cual puede a su vez controlar la riqueza y abundancia relativa de las poblaciones microbianas presentes en la rizósfera y el suelo, siendo capaces de acumular mayor o menor cantidad de comunidades que permitan una mejora de su estado sanitario (ver figura 2). Por tanto, si existe un componente genéti-co asociado al secuestro de microorga-nismos beneficiosos en el microbioma, éste debería ser considerado en los pro-gramas de mejoramiento genético.

EL MANEJO EN FUNCIÓNDE LOS MICROBIOMAS

¿Podemos decir, entonces, que hemos llegado al punto de inflexión,

donde debemos considerar a los micro-biomas como un nuevo componente que debe ser incluido en los programas de manejo de nuestros cultivos? La idea puede sonar algo descabellada, pero no a la luz de la nueva evidencia. Durante el año pasado, fue publicado un artículo en donde participó el Dr. David Mills, de UC Davis. En dicho estudio, la dinámica espacial y temporal de comunidades bacterianas asociadas con diferentes órganos de vid (flores, fruto, hojas y raí-ces) y suelos fueron caracterizadas en dos temporadas de crecimiento, con el objetivo de determinar la influencia del cultivar, los parámetros edáficos, el estado de desarrollo (dormancia, flo-ración, precosecha) y el viñedo sobre dichas comunidades.

Los investigadores encontraron que las comunidades bacterianas aso-ciadas a la vid pueden desempeñar roles específicos en la productividad y resistencia a enfermedad de su planta hospedera. También destacaron que las comunidades bacterianas halladas en los frutos tienen incluso el potencial de influir en las propiedades organolép-ticas del vino, contribuyendo al terroir regional, debido al hallazgo de que el suelo sirve como fuente clave de bac-terias asociadas a la vid y que además factores edáficos, junto a propiedades específicas del viñedo, pueden influir en el microbioma nativo de vid en pre-cosecha. Por lo tanto, el entendimiento acerca de cuáles son los factores que influyen sobre la presencia de estas bacterias puede proveer conocimiento de gran valor en las prácticas de mane-jo agrícola en el cultivo de vid, para dar forma y propiedades organolépticas exclusivas en la producción de vino.

Gracias al rol que ahora se reconoce que cumplen los microbiomas, es fun-damental su incorporación como un componente a ser resguardado en los esquemas de manejo, de manera que las prácticas empleadas en agricultura tradicional como fertilización o aplica-ción de pesticidas, no vayan en desme-dro de aquellas comunidades microbia-nas que tengan el potencial de suprimir patógenos, aumentar el rendimiento, o conferir características determinadas a los cultivos, y que por ejemplo pueden

FIGURA 2

Microbioma al rescate. Modelo de reclutamiento y activación de microorganismos benéfi-cos para la planta ante un ataque. Las plantas perciben la invasión de los patógenos en raí-ces o tallos e incrementan la secreción de compuestos estimulantes de microbios en raíces no infectadas. Estos estimulantes pueden reclutar y activar a microorganismos benéficos para la planta. Estos microorganismos pueden inducir resistencia (IR) directamente o pro-ducir compuestos inhibidores de patógenos. Algunos compuestos inhibitorios de patógenos se sabe pueden inducir la resistencia por sí mismos.

Figura adaptada de Berendsen et al. Trends in Plant Science 17(8), 478-486 (2012)