Haloalcalófilo derivado de plantas de Cistanche: información genómica y metabolómica sobre la cepa A8 para suelos salinos y alcalinos y mejora de cultivos

Discusión

 

Estado actual de la investigación sobre endófitos cultivables de Cistanche

La investigación sobre endófitos cultivables asociados con Cistanche sigue siendo limitada. Lin et al. [10] aislaron un Streptomyces endofítico (cepa AC-2) y un Penicillium chrysogenum de las raíces de Cistanche, y este último mostró una notable actividad neuroprotectora en las células SH-SY5Y. Yu et al. [11] informaron que la abundancia y diversidad de hongos endófitos cultivables en Cistanche varían según la estación, el origen y la parte de la planta medicinal. Petrosyan et al. [12] demostraron que los endófitos de las semillas del holoparásito Cistanche phelypaea pueden promover el crecimiento de las plantas y conferir rasgos de tolerancia a la sal. Sin embargo, hasta donde sabemos, las bacterias endofíticas tolerantes a alcalófilos y haloalcalófilos de Cistanche no han sido reportadas antes de este trabajo.

 

Cistanche deserticola

 

 

 

Definición de haloalcalófilos y posicionamiento de la cepa A8.

En toda la literatura, los "haloalcalófilos" se definen típicamente como microbios con crecimiento óptimo en concentraciones de sal mayores o iguales al 3% y pH mayor o igual a 9,0; la mayoría de las cepas toleran un pH de 7 a 11 y una salinidad de 0 a 15% [13]. La cepa A8 crece de manera óptima con 0 a 5% de sal y pH 9, lo que respalda su designación preliminar como bacteria haloalcalófila/alcalitolerante. Sorprendentemente, A8 mantuvo el crecimiento a pH 13, lo cual es raro incluso entre los haloalcalófilos. Si bien estos microbios generalmente se aíslan de ambientes salinos o alcalinos (por ejemplo, sedimentos de lagos salados, salinas, el Mar Muerto, sedimentos de manglares y suelos de rizosfera) [14], nuestro estudio informa que A8 es la primera cepa de Bacillaceae (Bacillus pseudoalcalifílico) de tipo alcalófilo y tolerante a los álcalis de la sal aislada de una planta huésped (Cistanche).

Base mecanística para la tolerancia salino-álcali en A8

La tolerancia a la sal y a los álcalis es mecánicamente compleja. En comparación con las bacterias no tolerantes, las cepas tolerantes activan más fuertemente los antiportadores de Na+/H+ y los sistemas de transporte de iones relacionados para regular la presión osmótica intracelular, lo que permite el crecimiento en condiciones salinas-alcalinas [15]. El análisis del genoma de A8 identificó 10 clases de genes implicados en la tolerancia a la sal y los álcalis, entre ellos:

Transportadores de solutos compatibles (p. ej., transportadores de glicina betaína) y genes de síntesis de trehalosa;

Múltiples antiportadores (antiportadores Na+/H+, antiportadores de aminoácidos básicos);

 

Transportadores de potasio y ATP sintasa F0F1.

 

Estudios previos muestran que la glicina betaína y la trehalosa están muy extendidas en los halófilos como solutos compatibles para el ajuste osmótico [15,16]. Los sistemas antipuerto y de transporte de potasio pueden acidificar el citoplasma para mitigar el estrés electrofílico, mejorando así la resiliencia ambiental [4]. Nuestros datos respaldan que A8 coordina múltiples módulos genéticos para sintetizar niveles intracelulares más altos de prolina, glicina, betaína y trehalosa y para transportar iones Na+, K+ y H+, manteniendo el equilibrio osmótico y apoyando las funciones celulares normales bajo estrés salino-alcalino.

Biopelículas, metabolismo secundario y osmoadaptación.

Debido a que el transporte transmembrana depende de las propiedades de la membrana, la formación de biopelículas está estrechamente relacionada con la tolerancia a las sales y los álcalis. Wang y cols. [17] demostraron que las cepas producen más biopelículas bajo estrés salino-alcalino para aliviar el daño causado por la sal. La evidencia transcriptómica y metabólica sugiere que la biosíntesis de sesquiterpenos y triterpenos está asociada con la resistencia al estrés en las plantas [18,19]; vías análogas pueden cruzarse con programas de estrés bacteriano. La prolina es un soluto compatible clave sintetizado por bacterias en respuesta al alto contenido de sal [20,21]. En nuestro análisis de enriquecimiento de la vía de metabolitos únicos y regulados positivamente en A8 bajo estrés salino-alcalino, identificamos:

Vías de purinas y esteroides que pueden mejorar la síntesis de biopelículas y, por tanto, la tolerancia a las sales y los álcalis;

Fuertes vínculos entre la biosíntesis de sesquiterpenos/triterpenos y la resiliencia al estrés;

Metabolismo de la lisina con potencial para atenuar el estrés salino [22];

Vías de biosíntesis de pantotenato y CoA que aumentan la capacidad energética, impulsando el transporte de iones salinos-alcalinos.

En conjunto, proponemos que A8 emplee una estrategia multifactorial (modulación de membrana/biopelícula, acumulación de soluto compatible y homeostasis de iones) para prosperar en condiciones de pH y salinidad extremas.

 

Base de cultivo cistanche de Wecistanche en Yuto, Xinjiang

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Motivación de la investigación del Cistanche como cultivo científico

 

Desarrollo de cultivos habilitado por el microbioma: como planta medicinal holoparásita adaptada a hábitats áridos y a menudo salinos, Cistanche puede albergar endófitos únicos con rasgos haloalcalifílicos excepcionales. Aislar y caracterizar funcionalmente dichas cepas (p. ej., A8) abre vías para el mejoramiento asistido por microbiomas y el desarrollo de inoculantes para mejorar el cultivo de Cistanche en tierras marginales (salinas-álcalis).

Rehabilitación de suelos y bioinoculantes: el perfil de tolerancia de A8 sugiere potencial como cepa de chasis para la mejora de suelos salinos-álcalis. Las pruebas de campo podrían probar la inoculación directa en suelos salinos-alcalinos, monitoreando los índices físico-químicos para cuantificar los efectos de mejora.

Mejora del rendimiento de las plantas: la aplicación de A8 mediante inoculación de la rizosfera, pulverización foliar o riego de raíces a los huéspedes de Cistanche o a los cultivos de crianza podría mejorar la resistencia, la supervivencia y la biomasa de los álcalis salinos, apoyando directamente el cultivo estandarizado y la calidad de la materia prima.

Proceso de validación mecanicista: integrar la genómica (grupos de genes antiportador/soluto compatible), la metabolómica (firmas de solutos y lípidos de membrana de UPLC-MS/MS) y la fenotipificación (métricas de biopelículas, curvas de crecimiento a pH 6-13 y salinidad 0-17%) para establecer expedientes de modo de acción sólidos para su adopción regulatoria e industrial.

 

Trabajo futuro

Estudios futuros evaluarán A8 en escenarios de aplicación: inoculación directa en suelos en campos salinos-álcalis con mediciones longitudinales de las propiedades del suelo; e intervenciones a nivel de planta (inoculación de la rizosfera, aplicación foliar, empapado de raíces) con ensayos de tolerancia a la sal y los álcalis de la planta. Estos datos permitirán una evaluación completa del potencial de promoción de plantas de A8 y respaldarán el desarrollo de fertilizantes microbianos para el cultivo de Cistanche y la agricultura salina en general.

 

Conclusión

 

Aislamos 50 cepas de bacterias endofíticas cultivables de Cistanche. Entre ellas, la cepa A8 es, hasta donde sabemos, la primera cepa de Bacillaceae (Bacillus pseudoalcalifílico) de tipo alcalófilo y tolerante a la sal, aislada de una planta huésped. A8 crece con una salinidad de 0 a 17 % (óptima de 0 a 5 %) y un pH de 6,0 a 13,0 (pH óptimo de 9) y cambia activamente el pH del cultivo hacia su óptimo de crecimiento. Los análisis genómicos y metabolómicos UPLC-MS/MS convergen para indicar que A8 mantiene el equilibrio osmótico (y, por tanto, la función celular normal) al sintetizar niveles elevados de solutos compatibles (p. ej., betaína, prolina, trehalosa) y al transportar Na+, K+ y H+ a través de múltiples antiportadores y sistemas de transporte. Estos conocimientos proporcionan una base mecanística para aprovechar el A8 en la mejora de suelos salinos-álcalis, el desarrollo de fertilizantes microbianos y la mejora de la tolerancia de las plantas a la sal-álcali, ofreciendo un recurso estratégico para la investigación de cultivos y el cultivo estandarizado de Cistanche.

 

Referencias

[10] Lin Z, Wen J, Zhu T, et al. Crisogenamida A de un hongo endofítico asociado con Cistanche deserticola y su efecto neuroprotector sobre las células SH-SY5Y. La Revista de Antibióticos. 2008;61(2):81–85.
[11] Yu J, Zhou F, Chen J, et al. Diversidad de hongos endófitos en Cistanche. Revista China de Materia Médica China. 2011;36(05):542–546. (en chino)
[12] Petrosyan K, Thijs S, Piwowarczyk R, et al. Diversidad y capacidad potencial de promoción del crecimiento vegetal de las bacterias endófitas de semillas del holoparásito Cistanche phelypaea (Orobanchaceae). Informes científicos. 2023;13(1):11835.
[13] Zhang S, Li Z, Yan Y, et al. Bacillus urumqiensissp. nov., una bacteria moderadamente haloalcalófila aislada de un lago salado. Revista internacional de microbiología sistemática y evolutiva. 2016;66(6):2305–2312.
[14] Joshi A, Thite S, Karodi P, et al. Alkalihalobacterium elongatum gen. nov. sp. nov.: Una bacteria productora de antibióticos aislada del lago Lonar y reclasificación del género Alkalihalobacillus en siete géneros novedosos. Fronteras en microbiología. 2021;12:722369.
[15] Qin Y, Druzhinina IS, Pan X, et al. Tolerancia a la sal de las plantas mediada microbianamente y soluciones basadas en microbiomas para la agricultura salina. Avances en biotecnología. 2016;34(7):1245–1259.
[16] Liu W, Wang Q, Hou J, et al. Análisis del genoma completo de la rizobacteria Klebsiella sp., promotora del crecimiento de plantas halotolerantes y alcalitolerantes. D5A. Informes científicos. 2016;6:26710.
[17] Wang C, Pei J, Li H, et al. Mecanismos de tolerancia a la sal en Paenibacillus polymyxa SC2 y sus efectos promotores del crecimiento en plántulas de maíz en condiciones salinas. Investigación microbiológica. 2024;282:127639.
[18] Zhang C, Zhang C, Xu X, Liao M, et al. El análisis del transcriptoma proporciona información sobre los mecanismos reguladores que subyacen a la recuperación de la germinación del polen a altas temperaturas normales en plátanos silvestres (Musa itinerans). Fronteras en la ciencia vegetal. 2023;14:1255418.
[19] Kong L, Chen P, Chang C. Resistencia a la sequía y biosíntesis de ginsenósidos en respuesta al ácido abscísico en Panax ginseng CA Meyer. Revista Internacional de Ciencias Moleculares. 2023;24(11):9194.
[20] Xing Q, Zhang S, Tao X, et al. El poliextremófilo Natranaerobius thermophilus adopta una estrategia dual ante el estrés salino a largo plazo, acumulando simultáneamente solutos compatibles y K+.Microbiología aplicada y ambiental. 2024;90(5):e0014524.
[21] Sunita K, Mishra I, Mishra J, et al. Metabolitos secundarios de rizobacterias promotoras del crecimiento de plantas halotolerantes para mejorar el estrés salino en las plantas. Fronteras en microbiología. 2020;11:567768.
[22] Arruda P, Barreto P. Catabolismo de la lisina a través de la vía de la sacaropina: enzimas e intermediarios involucrados en las respuestas de las plantas al estrés abiótico y biótico. Fronteras en la ciencia vegetal. 2020;11:587.