Un mundo de interacciones microscópicas entre bacterias y plantas

Entrevistamos a Elena Fabiano y Raúl Platero (Rufo) para conocer otra historia del IIBCE que continúa dando frutos*. Un historia que ilustra el trabajo de nuestros investigadores, cuyas derivaciones son tan fascinantes como una exposición de fotografía artística y etnobotánica, la degustación de maní nativo, o la obtención de biocombustible a partir de su aceite.

1 Desde el punto de vista de la Bacteria

Los Esteros de Farrapos, un lugar único y diverso. Fotografía del estudio etnobotánico con posterior muestra fotográfica “El punto de vista de la Bacteria”, de las antropólogas Magdalena Chouhy y Lucia Corallo.

Los Esteros de Farrapos son parte del Parque Nacional de Farrapos, un área protegida del Uruguay que además, es de los primeros sitios que cuenta con un sistema de manejo para el área protegida. El IIBCE llegó a trabajar allí nada más ni nada menos que por las bacterias.

Entre las millones de bacterias que podemos llegar a conocer, una gran cantidad son bacterias que mejoran el crecimiento de la plantas. En el Departamento de Bioquímica y Genómica Microbianas del IIBCE (BIOGEM) se estudian los rizobios, bacterias que colonizan plantas leguminosas y viven con ellas como microsimbiontes. Este nombre de película, indica una relación con beneficio mutuo entre bacterias y plantas, donde se produce la fijación biológica del nitrógeno (N) atmosférico, un proceso de importancia vital para el suelo y la vida en la Tierra.

Papilionoideae Sesbania punicea Ambiente Estero, Monte de ribera Rizobio Azorhizobium

Una interacción colorida: Leguminosa Sesbania punicea y su rizobio Azorhizobium

Diálogo molecular
Plantas y bacterias se relacionan entre sí en una variedad enorme de interacciones. Entre éstas, la que se produce entre rizobios y leguminosas es de las más complejas. En BIOGEM se trabaja con sistemas modelos de estudio de la microsimbiosis rizobio – leguminosa, que permiten intercambiar información con investigadores de otras partes del globo. De esta manera, se puede llegar a conocer las bases de una relación tan sofisticada.

Rocío_ ¿Dónde está la complejidad de esta interacción planta – bacteria?

Rufo_ En cómo fue evolucionando la interacción: Existe un diálogo mano a mano entre la bacteria y la planta. No cualquier bacteria entra en cualquier planta ni cualquier planta deja entrar a cualquier bacteria. Hay un diálogo molecular donde se intercambian señales. La planta reconoce a la bacteria y viceversa. Las señales que libera la planta son interpretadas por la bacteria y a su vez la bacteria responde, largando otras señales que son interpretadas por la planta, lo que va llevando a que la planta progresivamente permita que la bacteria entre, ¡que colonice!

Rocío_ Como un cortejo sexual…

Elena_ Tal cual, primero se van conociendo y reconociendo . La planta no puede dejar entrar a cualquiera, se asegura que no haya riesgos, porque una bacteria puede generarle una enfermedad. Hay varias señales involucradas, señales de reconocimiento. Es una cascada de señales. Por ejemplo moléculas de la superficie de la bacteria. Probablemente no conozcamos todas las señales.

Rocío_ ¿Dónde está la ventaja de la simbiosis entre la planta y la bacteria?

Elena_ La planta le da nutrientes a la bacteria (los cuales básicamente provienen de la fotosíntesis) la bacteria adquiere la capacidad de fijar Nitrógeno que luego se lo da a la planta. En realidad son células diferenciadas de ambas partes las que crean una estructura especial, el nódulo, donde se fija el N. En esa estructura es que se da la fijación biológica del N.  Uno de los temas que estudiamos en BIOGEM está enfocado a conocer cómo se intercambia el hierro en esa interacción planta-bacteria ya que ese metal es esencial para la fijación biológica de N. Esto es investigación fundamental y básica, de implicancia indirecta económica y ecológica. Pero también nos interesa conocer la biodiversidad nativa de bacterias asociadas a plantas presentes en Uruguay, su aporte al ecosistema  y el uso que tienen a nivel ambiental y económico.

Cesalpinoideae Chamaecrysta flexuosa Ambiente Arenal Rizobio Burkholderia

Chamaecrysta flexuosa y su rizobio, Burkholderia. Vive en los arenales.

Uruguay Pionero
El elemento Nitrógeno es un componente fundamental de todo lo vivo. Varias bacterias invierten su energía en fijar N y realizan el mayor aporte de N a los sistemas terrestres, ya que la asociación planta- leguminosa tiene la mayor tasa de fijación de N en el suelo. En paralelo, un poco se fija por procesos no biológicos como las tormentas eléctricas.

Rufo_ Uruguay es uno de los países pioneros en decidir y legislar el uso de rizobios para fertilizar los cultivos de leguminosas con la finalidad de disminuir el uso fertilizantes químicos nitrogenados en las praderas. Hace años que se usan y existen varios intereses, como el de las empresas productoras de inoculantes o biofertilizantes en base bacterias).

Uruguay es uno de los primeros países en utilizar inoculantes en el mundo, y cuando se decidió, cerca del 1950, el IIBCE estuvo involucrado. Se hicieron en el país cosas bien y cosas mal. Es una historia interesante, aunque un tanto larga.

Rocío_ ¿Podrían resumirla?

Elena_ Se usaron tanto rizobios aislados de nuestros suelos como rizobios importados. Fue el caso de un inoculante usado para tréboles. Se importó una especie de trébol muy usado en otros países como Australia, y también se importó el inoculante a base de rizobio recomendado en Australia para esa especie de trébol. Sin embargo en Uruguay, las cosas nos marchaban tan bien como en Australia. Al tiempo el inoculante desaparecía del suelo y las bacterias locales le ganaban a las importadas, ya que estaban adaptadas a los suelos locales. El problema es que las bacterias que se asociaban a esas plantas  que no eran las originales en ese suelo, producían un tipo de asociación que no fijaba N. Eran parasitarias, ¡producían nódulos infectivos!

Entonces se seleccionaron cepas bacterianas nativas capaces de asociarse a las leguminosas importadas y lograr buenos niveles de fijación. Y eso es lo que se usa hoy. Alfalfa, Soja, Trébol blanco, Trébol rojo, Lotus y otras leguminosas son todas inoculadas con biofertilizantes en base a rizobios Son todos cultivos que se usan en grandes parcelas.

Hay muchos factores que influyen en la interacción. Por ejemplo la composición del suelo, si es ácido, alcalino. La asociación va a depender entonces del tipo de suelo, de la planta y de las bacterias  Es importante considerar al suelo no sólo como un soporte inerte, sino como una mezcla compleja que incluye no sólo elementos químicos, sino también seres vivos como bacterias y hongos. Por eso se estudia mucho desde otras disciplinas y en otros centros como el INIA, Facultad de Agronomía, Facultad de Ciencias, Facultad de Química.

Rocío ¿En qué se focalizaron desde el IIBCE?

Mimosideae Mimosa adpressa Arenal costero Rizobio Cupriavidus

Mimosa adpressa y su Rizobio, Cupriavidus. Vive en los arenales costeros

Elena_ A nosotros nos pareció importante trabajar con lo nativo, para rescatar la diversidad y buscar posibles cepas o asociaciones útiles desconocidas. Para poder explotarlas económicamente y para mejorar la calidad de los suelos. Cuando se empezó con el boom de la forestación con Pinos y Eucaliptus en Uruguay, hace ya más de 10 años,  pensamos ¿Qué aporte podemos hacer desde nuestro grupo?

Entre las leguminosas uruguayas hay una especie nativa muy promisoria para la forestación: el Angico* (Parapiptadenia rígida). Entonces nos preguntamos: ¿Qué asociación hay entre los Angicos y los Rizobios? ¿Dónde hay Angicos naturalmente presentes en Uruguay? Y fuimos a muestrear a Artigas, Rivera, Tacuarembó y Salto. Así se hizo una colección de rizobios que nodulaban Angico. Estudiamos los rizobios y seleccionamos los que mejor hicieron crecer las plantas. Aquí quiero mencionar especialmente el trabajo que realizó Cecilia Taulé, que fue quien hizo toda la caracterización de las bacterias que obtuvimos. Hicimos ensayos a nivel de campo y tuvimos resultados promisorios y problemas variados.

Rocío_ ¿Como cuáles?

Elena_ Debemos haber plantado al menos 1200 Angicos. Algunos en Rivera, otros en Treinta y Tres, Lavalleja y Montevideo. El principal problema fue la desaparición de los ensayos por razones muy variadas como ser expropiación del terreno donde se realizaba el ensayo o ataque de liebres y caballos a las plantas. Aún seguimos trabajando con Angico. En ese trabajo habíamos centrado el estudio en una leguminosa, y luego pensamos, vamos a cambiar de estrategia y vamos a relevar todas las leguminosas de una región y ver qué asociaciones establecen. Decidimos hacerlo en los Esteros de Farrapos, porque se había reportado que había varias leguminosas y una diversidad ambiental alta. Y si, ¡la hay!

Curiosidades del Angico

Queríamos conocer, qué leguminosas hay, con cuáles rizobios se asocian, qué tipo de asociación establecen, para así poder determinar utilidades. Y bueno, una de estas utilidades tenía que ver con la etnobotánica; o sea qué conocía la población sobre las leguminosas, que uso le daban, registrar el conocimiento popular, el saber popular. Para ello nos contactamos con dos estudiantes de antropología y por supuesto contamos con la participación de una botánica. Yo soy química y Rufo bioquímico, especializados en microbiología, así que de plantas y antropología bien poco sabemos. También participó muy activamente en este trabajo Federico Battistoni y muchos compañeros nos ayudaron con la colecta de los nódulos, tarea que no es sencilla.

Rufo_ En nuestro medio el conocimiento ancestral está muy poco rescatado. Hay conocimiento posiblemente de los propios inmigrantes que tomaron la flora y fauna que había y generaron sus propios productos en base a ellos.

Papilionoideae Eritrina crista-galli Ambiente Borde del Blanqueal Rizobio Mesorhizobium

Eritrina crista-galli y su Rizobio, Mesorhizobium. Vive en los bordes del Blanqueal

Seguimos investigando en el proyecto. Lo hacemos en la medida de las posibilidades. María Zabaleta, la encargada del Bioterio de Plantas del IIBCE, hizo su maestría en este tema y luego se hicieron  dos pasantías de grado. No hubo financiación externa

Rocío_ ¿Y cómo financiaron los estudios?

Rufo_ Hubo financiación nuestra, aunque por supuesto también contamos con un aporte parcial de PEDECIBA y por supuesto del IIBCE.

De las leguminosas que vimos en Esteros no sabemos todavía si alguna tendrá luego una utilidad económica. Vimos quién está, cómo está y en qué condiciones, si ya tiene un uso o no. Encontramos por ejemplo algo interesante: Un maní nativo, originario de América.

El Maní nativo
Rufo nos contó una historia dentro de la historia, el origen y los usos del maní, Arachis hipogaea

En Uruguay ocurren naturalmente dos variedades de maní, Arachis villosa y Arachis burkartii. Arachis villosa crece en las costas del río Uruguay y Río de la Plata, mientras que A. burkartii se desarrolla en los suelos arenosos del norte de nuestro país, principalmente en los departamentos de Rivera y Tacuarembó, donde la presencia de esta leguminosa es valorada a nivel productivo.

Papilionoideae Arachis villosa Ambiente Arenal Rizobio Bradyhizobium

Arachis villosa y su Rizobio, Bradyhizobium. Vive en los arenales

Rocío_ ¿Uds. descubrieron que había maní en Uruguay?

Rufo_ Ya se sabía que existía una especie de maní en Uruguay. El primero en proponer el nombre A. villosa fue el botánico Argentino Arturo Burkhart en 1952.

Muchos naturalistas describieron gran parte de la flora nativa que conocemos. Arachis es el nombre de la familia del maní, es la variedad comercial. Hay 8000 años de historia de uso del Arachis en américa, uno de los cultivos más importantes con valor económico para muchos pueblos.

El Arachis villosa, ocurre en los márgenes del río Uruguay. Es realmente una especie nativa, autóctona, no tiene una distribución mayor. Produce un maní pequeño y éste produce una especie de aceite con buenas propiedades que incluso puede usarse como biocombustible… Parece que el primer motor que creó Rudolf Diesel funcionó usando aceite de maní como combustible.

Rocío_ Qué interesante.

Rufo_ Lo interesante de estudiar esta variedad, es que la planta está adaptada a nuestro ambiente. Hoy estamos escribiendo una publicación con todo lo que hemos realizado en el IIBCE. Encontramos una gran variedad de rizobios que existen en Esteros, asociados a unas 30 especies de leguminosas diferentes.

Curiosidades del Angico 2

El maní y las demás leguminosas adaptadas a nuestro ambiente, así como  las relaciones entre los pobladores de Esteros y éstas plantas por demás valiosas, fueron el objeto de estudio de una investigación etnobotánica que culminó en una muestra fotográfica maravillosa. En el IIBCE Abierto 2014 tuvimos la suerte de que la autoras, Magdalena Chouhy y Lucía Corallo, expusieran su trabajo para deleite de todo el público que nos visitó.

Compartimos algunas de sus fotos aquí como gran toque “final” de una historia que continúa.

3 Desde el punto de vista de la Bacteria 5 Desde el punto de vista de la Bacteria4 Desde el punto de vista de la Bacteria

Gracias Raúl y Elena.
Contactos: elena.fabiano@gmail.com /rufocold@gmail.com

*Entrevista realizada por Rocío Ramírez Paulino, Comisión de Divulgación del IIBCE

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