El abecedario con que se comunican plantas y bacterias

Las palabras son combinaciones de letras que crean variaciones de sonidos y significados. Lo mismo sucede con las sustancias químicas en el ambiente que, al percibirse, permiten la comunicación entre plantas y bacterias para establecer una relación de simbiosis con beneficios mutuos, o genera una dinámica de competencia, e incluso de parasitismo cuando los nutrientes son escasos.

Esta es la investigación que ha desarrollado el doctor José López Bucio, profesor e investigador titular del Instituto de Investigaciones Químico Biológicas de la Universidad Michoacana de San Nicolás de Hidalgo (UMSNH) y miembro nivel III del Sistema Nacional de Investigadores (SNI).

La raíz es el medio

«La raíz es el órgano de la planta que no se encuentra visible. Es la que se encarga de captar el agua y los nutrientes para que se suministren a toda la parte verde, que incluye los tallos y el follaje, posibilitando la realización de casi todas sus funciones, como la fotosíntesis y la producción de flores, frutos, granos y semillas, base de la producción mundial de alimentos».

Lo anterior es posible porque con la raíz se asocian miles de especies de bacterias y otros microorganismos, señala el doctor José López.

«Las hojas atrapan la luz del sol y producen carbohidratos que son un alimento importante. Esas moléculas llegan al suelo a través de la exudación por la raíz».

Los azúcares, aminoácidos, ácidos orgánicos y mucílago, explica, son aprovechados por las bacterias, atraídos por eventos de percepción química o quimiotactismo, y al habitar en la planta pueden aportar protección contra patógenos o contribuir para una mejor adaptación a los cambios en el ambiente, como altas temperaturas, salinidad y toxinas presentes en el suelo.

Las hormonas son mensajeros celulares

De esta forma, las especies microbianas ayudan al crecimiento de los vegetales liberando hormonas y factores de crecimiento. El doctor señala que las hormonas son mensajeros celulares que se mueven para cumplir diversas funciones o encargos, y entre ellas se incluye moléculas como las auxinas, citocininas y giberelinas.

Entender esa función simbiótica de ida y vuelta de hormonas y nutrientes hizo que se preguntaran cómo se comunican las plantas con los microorganismos de las raíces. Para descubrirlo, fueron a diferentes ambientes donde las plantas crecen en condiciones desventajosas (sin agua y nutrientes), para observar cómo lo hacen sin la mano del ser humano.

«Estudiamos las raíces de plantas en ambientes desfavorables y las comparamos con las que crecen en suelos agrícolas, y actualmente pensamos que lo que posibilita el crecimiento son los microorganismos asociados, como los que fijan el nitrógeno del aire y lo convierten en nitrato, un fertilizante, o los que solubilizan el fosfato a partir de compuestos insolubles».

Tomaron muestras y en el laboratorio cultivaron esas especies microbianas, atrayéndolas desde la naturaleza a condiciones más controladas para entender su funcionamiento.

Necesitaban conocer quiénes estaban ahí —refiriéndose a las especies de microorganismos—, cómo se relacionan con sus hospederos naturales y con otras plantas, por lo que utilizaron la Arabidopsis thaliana, un arbusto pequeño que puede ser cultivado en cajas de Petri, y allí mismo colocaron las bacterias para observar el comportamiento durante la interacción.

Encontraron que había diferentes especies de bacterias que incrementan el crecimiento de la raíz y la producción de biomasa, así concluyeron que entender la comunicación con organismos de diferentes reinos sería una herramienta valiosa para generar una agricultura más benéfica y así evitar el uso de pesticidas y disminuir los agroquímicos.

¿Cómo se comunican?

En la comunicación participan varios elementos: nutrientes como el fósforo, nitrógeno y el hierro son muy importantes, menciona. «Son como monedas de cambio, dependiendo de su disponibilidad es que se genera una relación de mutualismo o de competencia».

La escasez de nutrientes es costosa, ya que las poblaciones microbianas y las plantas no crecerán tan bien porque deberán gastar su energía en defenderse y competir por los pocos recursos que existan.

«Es una relación bastante parecida a las dinámicas económicas de los seres humanos, que con base en la escasez o abundancia se generan relaciones de competencia o mutualismo. La comunicación en la naturaleza representa un verdadero lenguaje. Así como los animales se comunican, las plantas lo hacen con otros congéneres y con sus microorganismos. Los delfines utilizan su lenguaje al cazar, los herbívoros al escapar de sus depredadores».

Y ese lenguaje cambia según las condiciones geográficas, origen de la especie, grados de interacción y estímulos del ambiente.

La comunicación de las plantas está basada en la recepción y emisión de palabras, que involucra elementos como aromas y otras sustancias difusibles, reconocidas por las bacterias, y se convierten en indicadores de la presencia de nutrientes. Esto es posible porque viajan muy rápido y pueden ser recibidos por sus vecinos para reaccionar ante los estímulos y agobios del ambiente, en ocasiones incluso, a nivel poblacional.

El abecedario de su lenguaje

Dependiendo de las combinaciones de moléculas que se generen, es la señal que se emite.

«Las señales pueden ser de amistad, es decir, las moléculas permitirán el crecimiento e interacción, o pueden ser de alerta». Eso lo han observado en el microscopio, acercando o alejando una bacteria de la raíz y observando si esta permite la colonización o deja de crecer.

Las combinaciones son infinitas y pueden generar diferentes reacciones, lo mismo que sucede con el acomodo de letras, sonidos y pronunciaciones en las palabras de los seres humanos. Por eso la combinación de moléculas puede verse como el abecedario del lenguaje por el que se comunican las plantas consigo mismas y con otros organismos.

«Es un lenguaje sumamente rico. Nosotros hemos estudiado las moléculas conocidas como ciclodipéptidos y alcamidas, son muy pequeñas y se han reportado más de 800 variaciones, con esto podemos imaginar la abundancia de combinaciones posibles en el ambiente».

Y afirma que descifrando la comunicación se puede impactar en una de las actividades humanas más importantes, la agricultura.

Con la investigación del doctor se ha descubierto que este lenguaje permite un ajuste a los procesos de crecimiento y desarrollo de los cultivos, que se traduce en un mayor rendimiento de cosechas. Nuevamente en el microscopio, resulta claro para el doctor que «dependiendo del tipo de información que emite una raíz, cambia la conformación y la estructura de sus microbiomas».

El lenguaje afecta el comportamiento

Además de estimular o limitar el crecimiento, los investigadores observaron que el intercambio de sustancias genera cambios en el comportamiento de las plantas.

«El comportamiento es una respuesta a un estímulo. Definir si se porta mal o bien es un ejercicio de pensar, decidir, saber lo que se necesita, esa es la forma en que existimos los seres humanos y se estudia para entender la toma de decisiones individuales o colectivas».

El doctor confirma que ese mismo ejercicio de “toma de decisiones” es realizado por plantas y bacterias. Hicieron una serie de pruebas exponiendo a seis plantas distintas a una misma bacteria, Achromobacter.

Se observa que al acercarla a la raíz de la Arabidopsis, los seis individuos reaccionan de manera diferencial, creciendo mientras construyen su arquitectura, moviéndose por el espacio disponible, pero cuando se inocula una variante vegetal afectada en la comunicación, ahora los seis individuos reaccionan de manera idéntica, indicando claramente un comportamiento colectivo.

Lo anterior es importante, ya que como lo demostró Darwin, la variabilidad genética es una propiedad de las especies que les permite adaptarse y sobrevivir, un aspecto que es modificado tremendamente por los microorganismos.

Concluyeron que cada planta reacciona como un individuo, teniendo comportamientos particulares y distintos al estímulo que se percibe. «Este tipo de reacción nos muestra las coincidencias entre el emisor con el receptor, como si ambos hablaran el mismo idioma».

En este caso, la sincronización de la respuesta se debió a una mutación genética que sufrieron las plantas, lo que generó que ante la bacteria todas se comportaran de la misma manera. «Si se observa la raíz, se ve que todas realizan el mismo movimiento, aquí la plasticidad fenotípica se ha perdido».

Observaron entonces dos comportamientos:

1. Cada individuo hace algo distintivo cuando se interactúa con Achromobacter.
2. Todos los individuos hacen lo mismo si se altera la capacidad de comunicación de la planta.

En el segundo caso hay una implicación: «Si el estímulo que se aplica es negativo, significa que todos los individuos de la población se verán afectados».

El lugar que ocupan las plantas

El doctor habla sobre la importancia que tienen las plantas en el desarrollo del mundo como lo conocemos.

«Son los productores primarios de los alimentos que consumimos. Nos permiten obtener de manera directa o indirecta muchos satisfactores como carne, leche, pieles, al ser los forrajes y semillas el insumo primario de la ganadería».

Muy recientemente se ha comenzado a estudiar la comunicación de las plantas con otros organismos como hongos y bacterias, que habitan en sus tejidos y modulan su dinámica de crecimiento.

Una planta tiene distintos órganos, pero se pueden distinguir dos principales: la parte verde que es la que está expuesta y la parte oculta que es la raíz.

Su importancia rebasa lo que conocemos sobre ellas, ya que se pueden utilizar para responder preguntas del mundo natural al encontrarse en todos lados: ambientes acuáticos y terrestres. No podemos ignorar que son las encargadas de proveer las condiciones necesarias para la captación de agua y el oxígeno que respiramos.

«Al igual que los seres humanos que requerimos minerales para poder llevar a cabo nuestras funciones, las plantas requieren nitrógeno, fósforo, calcio, potasio y hierro, entre otros, para hacerlo».

Esos elementos los obtienen del suelo utilizando sus raíces. El doctor explica que cuando están bien nutridas producen una buena cantidad de biomasa, por lo que son rentables para satisfacer la cadena alimentaria.

Hablar de los procesos de desarrollo en los vegetales es imperante en un mundo donde la población crece a tan alta velocidad, se ha previsto que en los próximos años la población alcanzará los 10 mil millones de personas que necesitarán ser alimentadas.

Esta realidad convive en un mundo donde los recursos son cada día más escasos y los suelos menos fértiles. El investigador afirma: «No podremos satisfacer esa necesidad si no generamos las condiciones para una agricultura altamente eficiente y amigable con el ambiente, esa es la importancia de entender el lenguaje químico de las plantas y los microorganismos».

Fuente: CONACYT.