Microbioma vegetal: un océano de posibilidades para mejorar la resistencia a enfermedades en las plantas Parte 2

4. Papel de las firmas de defensa vegetal en la configuración del microbioma beneficioso para las plantas

El ensamblaje del microbioma beneficioso para las plantas está controlado dinámicamente por interacciones complejas entre huéspedes, microorganismos y variables ambientales (14,64). Hay muchas revisiones excelentes que cubren cómo los exudados de las raíces y los factores ambientales dan forma al microbioma beneficioso de la planta en diferentes condiciones (13,14,65). En esta revisión, nos enfocamos en cómo las firmas de defensa de las plantas influyen en el microbioma beneficioso para las plantas. El sistema inmunológico de las plantas es un sistema complejo regulado por diferentes hormonas de defensa, como el ácido salicílico (SA), el ácido jasmónico (A) y el etileno (ET).

El papel de estos versátiles hor. Los mones en las respuestas de defensa de las plantas se entienden bien tanto en las plantas modelo como en las de cultivo. Por ejemplo, las defensas dependientes de SA brindan resistencia a patógenos biotróficos, mientras que las defensas dependientes de JA y ET son efectivas contra patógenos necrotróficos e insectos herbívoros (66,67). Recientemente, se han identificado como impulsores importantes del ensamblaje de microbiomas beneficiosos para las plantas.

La relación entre las hormonas y la inmunidad es compleja y depende de múltiples factores, como el tipo de hormona, la dosis, el modo de administración, la distribución de los receptores celulares, el estado inmunitario individual y las enfermedades existentes.

Algunas hormonas afectan la respuesta inmunológica y afectan diferentes aspectos del sistema inmunológico de diferentes maneras. Por ejemplo, los glucocorticoides pueden reducir las respuestas inflamatorias y la citotoxicidad mediada por células inmunitarias, lo que puede provocar inmunosupresión y susceptibilidad a enfermedades infecciosas. La ACTH está relacionada con la diferenciación, proliferación y función de las células inmunitarias y juega un papel importante en la respuesta inmunitaria.

Por otro lado, la función inmunológica de las hormonas puede tener un impacto en tipos específicos de enfermedades. Por ejemplo, algunas hormonas pueden afectar la aparición y el desarrollo de enfermedades autoinmunes al cambiar la actividad y el destino de las células inmunitarias, como el papel del factor de crecimiento similar a la insulina y la hormona estimulante de la tiroides en la diabetes y las enfermedades tiroideas autoinmunes.

En general, el sistema inmunitario y las hormonas son sistemas complejos que se regulan e influyen entre sí, y se necesita una investigación cuidadosa para obtener una comprensión profunda de sus interacciones. Desde este punto de vista, necesitamos mejorar nuestra inmunidad humana, y Cistanche puede mejorarse significativamente, porque Cistanche es rico en una variedad de sustancias antioxidantes, como vitamina C, vitamina C, carotenoides, etc. Estos ingredientes pueden eliminar los radicales libres. y reducir el estrés oxidativo, mejorando la resistencia del sistema inmunológico.

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Por ejemplo, Lebeis et al. (68] informó que SA modula la colonización del microbioma de la raíz a través de taxones bacterianos específicos en Arabidopsis. Este estudio mostró que los mutantes de Arabidopsis knock-out de SA tienen microbiomas de raíz que difieren de la abundancia relativa de tipo salvaje de familias bacterianas específicas. Por otro lado Por otro lado, los mutantes NPR1 (SAreceptor) han reducido la diversidad del microbioma de la endosfera, principalmente la diversidad alfa, y también menos colonización de endofitos (69,701). La vía JA también se identificó como un importante impulsor del ensamblaje del microbioma mediado por el sistema inmunitario de la planta en Arabidopsis. Este estudio mostró que la vía JA mutante en las plantas de Arabidopsis, a saber, myc2 y med25, tienen comunidades microbianas distintas en comparación con las plantas de tipo salvaje (71)

De manera similar, en Arabidopsis, se demostró que el tratamiento exógeno con JA aumenta la diversidad alfa de la rizosfera de Arabidopsis y al mismo tiempo enriquece muchos taxones microbianos beneficiosos importantes (72). ET, que a menudo actúa de forma sinérgica con JA en la señalización de defensa, también influye en el ensamblaje de microbiomas beneficiosos. Por ejemplo, en los cacahuetes, la ET exógena aumenta la diversidad alfa de la rizosfera, en particular la cantidad de actinobacterias, al tiempo que disminuye la abundancia de bacterias ácidas (70). Sin embargo, el efecto del ensamblaje del microbioma beneficioso del refrigerante de las firmas de defensa de las plantas varía entre las especies de plantas y los compartimentos.

Por ejemplo, se ha demostrado que el JA juega un papel diferente en el maíz de la hoja de Arabidopsis epífita. composición de la comunidad de la endosfera de la raíz del trigo (T. aestivum) (73,74). Estos hallazgos implican que el efecto de las hormonas vegetales en la microbiota de la raíz puede variar según la especie. Comprender cómo las hormonas vegetales afectan el microbioma beneficioso de la raíz en los cultivos es crucial para manipular las interacciones planta-microbioma para mejorar la productividad de la planta. Sin embargo, quedan muchas preguntas sin respuesta: ¿las fechas, que a su vez influyen en el microbioma beneficioso? (2)

¿Cómo influyen el trío SA/JA y Elcrosstalk en el microbioma beneficioso de la planta durante las infecciones por patógenos? (3) ¿Cómo interactúan las firmas de defensa de las plantas con otros impulsores del ensamblaje del microbioma y cuál es su efecto sobre el microbioma beneficioso? Una comprensión más profunda de la manipulación del microbioma de la planta por la vía endógena puede proporcionar nuevas estrategias de ingeniería y mejoramiento para mejorar los rendimientos sostenibles y la resiliencia de los cultivos. Además, resumimos cómo las firmas de defensa de las plantas influyen en el ensamblaje del microbioma beneficioso para las plantas en la Figura 4.

5. Desarrollo de comunidades microbianas resistentes a las enfermedades para la resistencia a las enfermedades

Durante la última década, nuestra comprensión del microbioma beneficioso para las plantas ha crecido de forma espectacular. Las técnicas integradas, como varias multiómicas y estrategias de ingeniería de microbiomas, han mejorado significativamente nuestra comprensión de la organización y la dinámica del microbioma de las plantas y sus interacciones [13,14,75]. Por ejemplo, en plantas de maíz mutantes precursoras de benzoxazinoides y silvestres, un análisis metagenómico y metabolómico combinado reveló que los metabolitos de benzoxazinoides desempeñan un papel importante en la formación del microbioma de la rizosfera [76].

Del mismo modo, Stringlis et al. [77] descubrió que la exudación de cumarina de las raíces puede influir en el microbioma de la rizosfera en plantas de Arabidopsis (silvestres y mutantes) utilizando métodos combinados de metabolómica y metagenómica de escopeta. Un trabajo reciente utilizó la metagenómica y la metabolómica para explorar el efecto de los triterpenos exudados por la raíz en la composición de la microbiota de la raíz [78]. Sin embargo, hay pocos estudios sobre el microbioma beneficioso y la resistencia a enfermedades de la planta.

Sin embargo, los microbiomas beneficiosos para las plantas y sus productos están atrayendo un interés creciente como un medio para combatir los brotes de enfermedades bajo cambios climáticos debido a su desempeño general contra múltiples factores estresantes y sus características de promoción del crecimiento de las plantas. Sin embargo, debido al conocimiento limitado, muchas cosas permanecen desconocidas. En este contexto, la integración de multiómicas puede proporcionar nuevos conocimientos sobre cómo el sistema inmunitario de las plantas regula el ensamblaje del microbioma beneficioso para las plantas, la química de los exudados de las raíces y su selección.

Además, la aplicación de multiómicas puede ayudar a desentrañar cómo SA/JA y ET desencadenan la reprogramación transcripcional, metabólica y proteómica, que influyen en el ensamblaje de microbiomas beneficiosos para las plantas y que, a su vez, pueden promover el crecimiento y la resistencia a enfermedades. Hasta el momento, se han identificado diferentes miembros microbianos para inhibir las infecciones; sin embargo, su aplicabilidad en el campo es limitada debido a su dependencia de numerosos parámetros ambientales y del huésped. Además, los microbios varían en cuanto a su fisiología, metabolismo y susceptibilidad a la temperatura y la humedad. En consecuencia, la composición del microbioma beneficioso de la planta puede verse directamente afectada por el cambio climático. Se espera que las comunidades microbianas que viven en la superficie de las plantas, como la filosfera, se vean más directamente afectadas por el cambio climático que las que se encuentran dentro de los ecosistemas de tejidos vegetales, que tienden a experimentar circunstancias ambientales más constantes [79].

Por lo tanto, la ausencia de rescatadores en la superficie puede aumentar la probabilidad de que un patógeno o enfermedad se propague a las partes de la planta que se encuentran en la superficie. En este contexto, la ingeniería de microbiomas beneficiosa y la edición de genes del huésped pueden ayudar a superar estas limitaciones [80]. Además, pueden ser posibles plantas modificadas genéticamente que secreten exudados que fomenten interacciones particularmente ventajosas entre plantas y microbios, lo que puede conferir resistencia a enfermedades y promover el crecimiento de las plantas. Estudios anteriores han revelado que la microbiota nativa puede rescatar a sus huéspedes de los brotes de enfermedades emergentes [81]. Por lo tanto, para utilizar completamente el potencial de la microbiota nativa, la ingeniería del microbioma o la edición del huésped pueden ser las estrategias más prácticas para crear consorcios microbianos personalizados y efectivos que puedan usarse para manejar futuros brotes de enfermedades. Debido a la complejidad de las interacciones planta-microbioma, quedan muchos secretos ocultos que limitan nuestra comprensión y su impacto mutuo.

Sin embargo, el advenimiento de nuevas tecnologías, como el aprendizaje profundo, la inteligencia artificial y las plataformas fenotípicas de alto rendimiento, está brindando conocimientos increíbles sobre el mundo del microbioma de las plantas, lo que ayuda a los científicos a comprender mejor su complejidad y desarrollar nuevos modelos de relaciones entre las plantas y sus microbiomas beneficiosos. . Además, en la Figura 5, resumimos varias herramientas que se pueden usar para explorar las nuevas fronteras del mundo de los microbiomas beneficiosos para las plantas en relación con la resistencia a las enfermedades. Numerosas autoridades políticas nacionales e internacionales han reconocido que es crucial manipular el microbioma del suelo de la planta para impulsar la productividad de la planta frente al cambio climático [79,82]. En el futuro, las comunidades microbianas adaptadas serán las fuentes más viables para prevenir brotes de enfermedades en la agricultura sostenible. Además, las futuras estrategias de mejoramiento pueden expandirse al comprender cómo los parientes silvestres pueden involucrar genes de plantas en la construcción de microbiomas beneficiosos bajo brotes de enfermedades, lo que puede ayudar a identificar rasgos que pueden usarse para desarrollar cultivos resistentes a enfermedades.

6. Conclusiones y Perspectivas Futuras

En la actualidad, nuestra agricultura enfrenta varios desafíos, como el cambio climático global, factores estresantes abióticos y bióticos, infertilidad del suelo, escasez de agua y contaminación, todos los cuales tienen un impacto significativo en la producción de cultivos y representan una grave amenaza para la seguridad alimentaria. Similar a esto, los patógenos de las plantas y los brotes de enfermedades que causan han tenido un gran impacto en nuestro sistema agrícola durante décadas, causando enormes catástrofes alimentarias y económicas. Actualmente, las enfermedades de las plantas, tanto endémicas como emergentes, se están propagando e intensificando debido a la mayor tasa de cambio climático global, las mutaciones y la evolución de nuevos patovares, la propagación de patógenos y la transmisión a través de las redes mundiales de comercio de alimentos, lo que ha dificultado su control con tratamientos actualmente disponibles.

Por lo tanto, es necesario encontrar nuevas herramientas correctivas que proporcionen una forma eficiente y duradera de aumentar la resistencia a las enfermedades y la productividad de los cultivos de manera sostenible. A la luz de esto, utilizar el potencial de los microbiomas beneficiosos para las plantas y sus productos es una de las formas más adaptables para combatir infecciones y brotes de enfermedades en nuestro sistema agrícola. El creciente interés en el microbioma beneficioso para las plantas se debe a su importante potencial para ofrecer soluciones ecológicas en la protección contra enfermedades de las plantas y herramientas de vanguardia para promover la sostenibilidad en los agroecosistemas, contribuyendo a una nueva Revolución Verde que es segura para los humanos y el medio ambiente [83 ]. Durante los últimos 10 años, nuestra comprensión de las interacciones entre plantas y microbios y sus efectos sobre la resiliencia y la producción de cultivos ha avanzado significativamente como resultado de la ómica y otras herramientas moleculares.

Sin embargo, estamos comenzando a comprender esta relación dinámica e intrincada entre el microbioma beneficioso de la planta y los efectos que tiene sobre la salud y la productividad de la planta. Sin embargo, en el pasado muchos estudios han demostrado que las plantas dan forma a su microbioma beneficioso bajo diferentes condiciones de estrés para protegerse. De hecho, estos estudios abren nuevas fronteras en el mundo de los microbiomas beneficiosos para las plantas. Desentrañar el potencial del microbioma beneficioso para la resiliencia y la productividad de los cultivos es un desafío debido a la complejidad de la dinámica del microbioma vegetal y la dependencia de factores externos. Además, nuestra comprensión de la importancia del microbioma beneficioso para las plantas en términos de ecología y función sigue siendo restringida, a pesar de que los estudios analíticos de las interacciones entre plantas y microorganismos se han ampliado en los últimos años. Las plantas tienen diversos nichos ecológicos que albergan distintos microbiomas, y su organización está determinada por factores genéticos, metabólicos y ecológicos. En los últimos 10 años, se ha logrado un progreso significativo en la comprensión del papel de los impulsores genéticos y metabólicos que influyen en los microbiomas beneficiosos para las plantas; sin embargo, los impulsores ecológicos permanecen en su mayoría sin explorar.

Existe la necesidad de estudiar las relaciones del trío entre los huéspedes, el microbioma beneficioso y sus características ecológicas, lo que puede proporcionar información increíble sobre el microbioma central y sus atributos taxonómicos y funcionales. En este sentido, la integración de la biología molecular, la biología sintética y la ecología puede ser crucial para descubrir la complejidad del microbioma beneficioso para las plantas y su uso en el desarrollo de cultivos de alto rendimiento, inteligentes y resistentes al clima en el futuro.

En esta revisión, brindamos una descripción general a múltiples escalas del papel del microbioma beneficioso para las plantas en la resistencia a las enfermedades, que recientemente se ha convertido en una de las investigaciones más interesantes en el campo de la biología del estrés de las plantas. A continuación, destacamos varias preguntas pendientes que deben abordarse para explorar el potencial del microbioma beneficioso de la planta en la resistencia a enfermedades. ¿Cómo imita o evade el microbioma beneficioso de la planta el sistema inmunológico de la planta? ¿Tiene un enfoque similar para evadir o es diferente de los patógenos? ¿Cómo influyen las firmas del sistema inmunitario de las plantas, como SA, JA y ET, así como el trío de diafonía, en el ensamblaje del microbioma beneficioso?

¿Cómo funciona el microbioma beneficioso contra los patógenos biotróficos y necrotróficos, y cómo afecta su señalización a la estructura del microbioma? ¿Cómo ofrece el microbioma beneficioso para las plantas protección contra enfermedades bajo múltiples estreses [84]? Nuestra comprensión del sistema inmunológico de las plantas se basa en gran medida en décadas de investigación sobre las interacciones entre las plantas y los patógenos. En el contexto del microbioma, este conocimiento está siendo revisado, evaluado y organizado actualmente, encontrando contrastes y similitudes fascinantes [85]. Por lo tanto, la investigación futura debe centrarse en cómo reacciona el sistema inmunitario de las plantas con diferentes microbiomas beneficiosos para las plantas y cómo influye en la microbiota beneficiosa particular que promueve la productividad y la aptitud de los cultivos.

Contribuciones de autor:

Conceptualización, HB, SA y AT; redacción—preparación del borrador original, SA y AT; redacción—revisión y edición, SA, AT y HB; visualización, AT; supervisión, MP; administración de proyectos, HB; adquisición de fondos, HB Todos los autores han leído y están de acuerdo con la versión publicada del manuscrito.

Fondos:

Esta investigación fue apoyada por el Proyecto de Investigación y Desarrollo de Ciencia y Tecnología Forestal número (2023507C10-2323-AB01) de la Agencia Forestal de Corea (Instituto de Promoción Forestal de Corea).

Declaración de la Junta de Revisión Institucional:

No aplica.

Declaración de consentimiento informado:

No aplica.

Declaración de disponibilidad de datos:

No aplica.

Conflictos de interés:

Los autores declaran no tener conflicto de intereses.

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