Un fitobioma consiste en una planta (fito) situada en su área ecológica específica ( bioma ), incluido su entorno y las comunidades asociadas de organismos que lo habitan. Estos organismos incluyen todos los macro y microorganismos que viven dentro, sobre o alrededor de la planta, incluidas bacterias , arqueas , hongos , protistas , insectos , animales y otras plantas . El medio ambiente incluye el suelo , el aire y el clima . Ejemplos de áreas ecológicas son campos, pastizales , bosques . [1] El conocimiento de las interacciones dentro de un fitobioma se puede utilizar para crear herramientas para la agricultura, el manejo de cultivos , [2] mayor salud, preservación, productividad y sostenibilidad de los sistemas agrícolas y forestales. [3] [4]
La comunidad microbiana dentro del fitobioma es quizás uno de los microbiomas más ricos y diversos de la Tierra. Las plantas forman asociaciones con miles de millones de organismos en todos los reinos de la vida. Los enfoques metagenómicos y metatranscriptómicos recientes han permitido a los científicos descubrir nuevas especies taxonómicas que no se cultivan fácilmente en un laboratorio.
Investigaciones recientes han demostrado que la comunicación entre reinos entre organismos es esencial para el funcionamiento adecuado del fitobioma. [5] Existen numerosas señales físicas y químicas, como lípidos, péptidos y polisacáridos secretados, que permiten a los organismos reconocer e interactuar dentro del fitobioma. Se sabe que las bacterias producen moléculas de detección de quórum , como homoserina lactonas, factores difusibles similares a lípidos y péptidos de señalización que median en las interacciones entre plantas y bacterias, como la colonización. [5] Se informa que las lactonas homoserinas son producidas por una gran cantidad de bacterias que se encuentran en la rizosfera . [6] Las bacterias promotoras del crecimiento vegetal (PGPB) a menudo producen factores Nod (factores de nodulación) que inician la formación de nódulos en las plantas. [5] Además de las interacciones entre plantas y bacterias, las bacterias a menudo secretan compuestos bactericidas o fungicidas en el fitobioma para reducir la competencia local por nichos y recursos. [5] Además, los organismos que se alimentan de bacterias, como algunas especies de algas y protistas, se sienten atraídos por estas pequeñas moléculas de señalización. [5]
Los bacteriófagos también desempeñan un papel fundamental en el fitobioma a través de interacciones depredador-presa . Los bacteriófagos utilizan péptidos de señalización como Arbitrium para mediar en el inicio de la lisis celular y la lisogenia en la célula huésped. [7]
Los hongos se comunican en el fitobioma mediante señales químicas para ayudar en la reproducción sexual, la esporulación , el reconocimiento de célula a célula y la antibiosis ; sin embargo, sólo se ha estudiado la función de una fracción de estos químicos. [5] Los hongos micorrízicos establecen relaciones simbióticas con las plantas mediante la producción de factores Myc o quitooligosacáridos que son reconocidos por los receptores de la planta. [8] Los hongos que atrapan nematodos a menudo utilizan moléculas de señalización fúngicas para iniciar la morfogénesis hacia sus presas. [5] Otros organismos pueden interferir con la señalización de los hongos, como las oxilipinas producidas por plantas que imitan las moléculas de señalización de los hongos y pueden regular el desarrollo de los hongos o reducir la virulencia . [5] Se ha informado que múltiples especies de bacterias, insectos y nematodos responden a compuestos de señalización de hongos. [8]
Se sabe muy poco sobre la comunicación de los nematodos dentro del fitobioma. Los nematodos fitopatógenos a menudo se comunican mediante la producción de feromonas. [5] Las plantas pueden detectar estos compuestos e inducir vías de defensa. [5] Los nematodos también producen hormonas vegetales como las citoquininas que ayudan en el establecimiento de asociación con las plantas. [5]
Quizás se sepa incluso menos sobre el papel ecológico de los protistas y los virus dentro del fitobioma. Algunas especies de amebas utilizan nucleótidos cíclicos o señales peptídicas para adaptar el comportamiento social. [5] Las fitohormonas producidas por bacterias asociadas a las algas pueden tener un gran impacto en las poblaciones de microalgas del suelo. [5] La presencia de ameba también puede provocar que la bacteria P. fluorescens produzca toxinas antiamebas. [9]
Los insectos se comunican para transferir información sobre amenazas externas, estatus social, disponibilidad de alimentos y apareamiento mediante la producción de feromonas volátiles , también conocidas como semioquímicos . [5] Esto ha convertido a las feromonas en un tema de investigación desde la década de 1950 para diversas aplicaciones en la agricultura y en enfermedades transmitidas por insectos como la malaria . [5] Las plantas pueden tener profundos impactos en la producción de feromonas de insectos. Las plantas de cascabel producen varios compuestos alcaloides que los insectos utilizan como precursores para la síntesis de feromonas sexuales. [5] Muchas especies de plantas han desarrollado una producción de sustancias químicas volátiles que interfieren con la señalización de feromonas, a menudo a través de la inhibición de la función neuronal olfativa adecuada . [5] Las bacterias y los hongos también pueden producir sustancias químicas volátiles que afectan el comportamiento de los insectos. [10]
La presencia de plantas y su comunicación con otros miembros de la comunidad da forma fundamentalmente al fitobioma. Los exudados radiculares contienen numerosos azúcares, aminoácidos, polisacáridos y metabolitos secundarios . [5] La producción de estos exudados está fuertemente influenciada por factores ambientales y la fisiología de las plantas y puede alterar la composición comunitaria de la rizosfera y el rizoplano . [5] La secreción de flavonoides ayuda a reclutar bacterias Rhizobia que forman una simbiosis mutualista con numerosas especies de plantas. [5] Los rizobios también pueden reconocer otros compuestos vegetales como las betaínas, los ácidos aldónicos y el ácido jasmónico . [8] Estas moléculas de señal pueden tener efectos múltiples o incluso contrarrestados. Por ejemplo, las cutinas vegetales desencadenan la colonización y simbiosis de micorrizas arbusculares , pero también pueden ser reconocidas por oomicetos fitopatógenos y desencadenar la patogénesis . [11] Los químicos volátiles de las plantas también atraen a herbívoros, polinizadores y portadores de semillas.
Cuando las plantas reconocen la presencia de microbios, a menudo activan la producción de señales de fitohormonas que se transportan por toda la planta. Las plantas responden a patógenos y herbívoros mediante la producción de hormonas que incluyen ácido salicílico , ácido jasmónico y etileno . [12] Además, muchas fitohormonas que funcionan en la tolerancia al estrés abiótico o en el crecimiento de las plantas también desencadenan respuestas con la comunidad microbiana. Se demostró que la producción de ácido salicílico en Arabidopsis influye en la composición del microbioma de la raíz al actuar como señal o fuente de carbono. [13] Se sabe que la secreción de estrigolactona estimula la germinación de esporas y la producción del factor Myc en hongos micorrízicos arbusculares. [5]
La comunidad microbiana también puede manipular la función de las fitohormonas o la producción de fitohormonas específicas en las plantas.
En 2015, la Sociedad Estadounidense de Fitopatología (APS) lanzó un marco de investigación, la Iniciativa Phytobiomes, para facilitar la organización de la investigación sobre fitobiomas. [14] Como parte de este esfuerzo, en 2016 lanzó Phytobiomes Journal , una revista de acceso abierto . La revista se centra en la investigación transdisciplinaria que afecta a todo el ecosistema vegetal. [15] Se ha publicado una estrategia general de investigación en Phytobiomes Roadmap, un documento desarrollado por un grupo de sociedades científicas, empresas, institutos de investigación y agencias gubernamentales. Se pretende presentar un plan estratégico para estudiar fitobiomas y proponer un plan de acción para aplicar estudios de fitobiomas. [16] [17] La Connected Phytobiomes Alliance es un consorcio internacional sin fines de lucro de instituciones académicas, empresas grandes y pequeñas y agencias gubernamentales que coordinan proyectos de investigación público-privados sobre diversos aspectos de los fitobiomas agrícolas relevantes. [18]