Descubrimiento IMP de Biología Marina

Plantas marinas viven en simbiosis con bacterias que fijan nitrógeno

08 de noviembre de 2021

Los pastos marinos cubren grandes franjas de mares costeros poco profundos, donde proporcionan un hábitat vital. También eliminan grandes cantidades de dióxido de carbono (CO2) de la atmósfera y lo almacenan en el ecosistema. Sin embargo, los pastos marinos necesitan nutrientes para prosperar, particularmente nitrógeno. Hasta ahora, los investigadores han asumido que las plantas toman el nitrógeno principalmente del agua de mar y los sedimentos circundantes. Sin embargo, en muchas de las regiones donde los pastos marinos tienen más éxito hay poco nitrógeno que se puede encontrar. Investigadores del Instituto Max Planck de Microbiología Marina en Bremen ahora muestran que los pastos marinos en el Mar Mediterráneo viven en simbiosis con las bacterias que residen en sus raíces y proporcionan el nitrógeno necesario para el crecimiento. Tales simbiosis anteriormente solo se conocían a partir de plantas terrestres.

Los pastos marinos están muy extendidos en las regiones costeras poco profundas de los mares templados y tropicales, cubriendo hasta 600.000 kilómetros cuadrados, que es aproximadamente el área de Francia. Forman la base de todo el ecosistema, que alberga numerosos organismos, algunos de ellos especies en peligro de extinción como tortugas, caballitos de mar y manatíes, y vivero de muchas especies de peces económicamente importantes. Además, los pastos marinos protegen las costas de la erosión de las marejadas ciclónicas y secuestran millones de toneladas de dióxido de carbono cada año, que se almacena en el ecosistema como el llamado "carbono azul" durante largos períodos de tiempo.


La simbiosis bajo el microscopio: A la izquierda una sección transversal a través de una raíz de pasto marino, a la derecha una imagen de fluorescencia de la bacteria (en rosa) dentro de la raíz de pasto marino.

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La simbiosis bajo el microscopio: A la izquierda una sección transversal a través de una raíz de pasto marino, a la derecha una imagen de fluorescencia de la bacteria (en rosa) dentro de la raíz de pasto marino.

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El hábitat de muchos pastos marinos es pobre en nutrientes, como el nitrógeno, durante gran parte del año. Aunque el nitrógeno es abundante en el mar en su forma elemental (N2), los pastos marinos no pueden usarlo en esta forma. ¿Cómo pueden las plantas seguir prosperando? Es gracias a sus socios microscópicos ahora descubiertos: simbiontes bacterianos que viven dentro de las raíces de las plantas que convierten N2 gas en una forma que las plantas puedan usar. Wiebke Mohr y sus colegas del Instituto Max Planck de Microbiología Marina en Bremen, Alemania, Hydra Marine Sciences en Bühl, Alemania, y el Instituto Suizo de Investigación del Agua Eawag describen cómo funciona esta relación íntima entre los pastos marinos y las bacterias.

"Se asumía que el llamado nitrógeno fijo para los pastos marinos proviene de bacterias que viven alrededor de sus raíces en el fondo marino", explica Mohr. "Ahora mostramos que la relación es mucho más estrecha: las bacterias viven dentro de las raíces de los pastos marinos. Esta es la primera vez que se muestra una simbiosis tan íntima en los pastos marinos. Anteriormente solo se conocía de plantas terrestres, especialmente especies de importancia agrícola como las legumbres, el trigo y la caña de azúcar". Estos, también, tienen bacterias simbióticas, a las que suministran carbohidratos y otros nutrientes a cambio de nitrógeno fijo. Un intercambio muy similar de productos metabólicos también ocurre entre el pasto marino y su simbionte.

Las bacterias que viven en las raíces de los pastos marinos son un nuevo descubrimiento. Mohr y su equipo los llamaron Celerinatantimonas neptuna,en honor a su huésped, la hierba neptuno(Posidonia). Los parientes de C. neptuna se han encontrado previamente en asociación con algas marinas. "Cuando los pastos marinos se movieron de tierra a mar hace unos 100 millones de años, probablemente adoptaron las bacterias de las algas marinas", especula Mohr. "Prácticamente copiaron el sistema que tuvo mucho éxito en tierra y luego, para sobrevivir en el agua de mar pobre en nutrientes, adquirieron un simbionte marino". El estudio actual analizó los pastos marinos del género Posidonia en el Mar Mediterráneo. Sin embargo, tales simbiosis también pueden ocurrir en otros lugares. "Los análisis genéticos sugieren que también existen simbiosis similares en los pastos marinos tropicales y en las marismas", dice Mohr. "De esta manera, estas plantas con flores logran colonizar una amplia variedad de hábitats aparentemente pobres en nutrientes, tanto en el agua como en la tierra".

A medida que cambian las estaciones, la cantidad de nutrientes presentes en el agua costera varía. En invierno y primavera, los nutrientes presentes en el agua y los sedimentos parecen suficientes para los pastos marinos. "En ese momento, encontramos simbiontes dispersos en las raíces de las plantas, pero probablemente no son muy activos", dice Mohr. En verano, cuando la luz solar aumenta y más y más algas crecen y consumen los pocos nutrientes disponibles, el nitrógeno se vuelve rápidamente escaso. Entonces los simbiontes toman el control. Suministran directamente a los pastos marinos el nitrógeno que necesitan. Así es como los pastos marinos pueden alcanzar su mayor crecimiento en verano, cuando los nutrientes son más escasos en el medio ambiente.

El presente estudio une todo el ecosistema, desde la productividad de los pastos marinos hasta los simbiontes que viven en sus raíces y, en última instancia, alimentan el sistema. Para lograr esto, los investigadores utilizaron una variedad de métodos diferentes para comprender la simbiosis lo más completamente posible: las mediciones de oxígeno realizadas en las aguas del Mar Mediterráneo revelaron la productividad de la pradera de pastos marinos. Las técnicas de microscopía, en las que las especies bacterianas individuales están etiquetadas de color (conocidas como FISH), ayudaron a visualizar las bacterias dentro y entre las células de la raíz de la hierba marina. En el NanoSIMS, un espectrómetro de masas de última generación, mostraron la actividad de las bacterias individuales. Los análisis genómicos y transcriptómicos revelaron qué genes son probablemente particularmente importantes para la interacción y que estas vías son muy utilizadas.

 
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