Aunque un concepto fundador de la ecología sugiere que el entorno físico determina dónde pueden sobrevivir los organismos, los científicos modernos han sospechado que hay más en la historia de cómo se forman las comunidades microbianas en el suelo.
Por Emily Caldwell, Universidad Estatal de Ohio
En un nuevo estudio, los investigadores han determinado a través de análisis estadístico y experimentos que el pH del suelo es un factor determinante de la composición de la comunidad microbiana, pero que la necesidad de abordar la toxicidad liberada durante el ciclo del nitrógeno en última instancia da forma a la comunidad microbiana final.
«El entorno físico afecta la naturaleza de las interacciones microbianas, y eso afecta la formación de la comunidad», dijo la coautora principal Karna Gowda, profesora adjunta de microbiología en la Universidad Estatal de Ohio. «La gente en el campo comprendió que estas dos cosas deben ser importantes en algún nivel, pero no había mucha evidencia de ello. Estamos agregando cierta especificidad y mecanismos a esta idea».
El trabajo ayuda a clarificar las bases microbianas del ciclo global del nitrógeno y puede proporcionar una nueva forma de pensar sobre las emisiones de óxido nitroso , un potente gas de efecto invernadero, dijo Gowda.
La investigación fue publicada recientemente en Nature Microbiology .
Los microbios mantienen el suelo sano y productivo reciclando los nutrientes, y son particularmente importantes para convertir el nitrógeno en formas que las plantas pueden utilizar. Los organismos subterráneos que viven en el mismo entorno también están muy interconectados, se alimentan entre sí, participan en intercambios químicos y brindan beneficios a la comunidad.
Para este trabajo, Gowda y sus colegas utilizaron un conjunto de datos de una colección mundial de muestras de tierra superficial, secuenciaron los genomas de los microbios presentes en las muestras y analizaron características importantes del suelo, como el contenido de nitrógeno y carbono y el pH, una medida de la acidez del suelo.
«Queríamos observar tendencias que estuvieran muy extendidas y que se manifestarían en todo el planeta y en entornos muy diferentes», dijo Gowda.
Con miles de millones de bacterias presentes en una muestra de suelo, los investigadores se basaron en la composición genética de las comunidades microbianas para determinar sus roles funcionales.
El equipo se centró en los genes que identificaban qué bacterias estaban implicadas en la desnitrificación, es decir, la conversión de compuestos nitrogenados de formas biodisponibles en óxido nitroso y gas dinitrógeno que se libera en la atmósfera. Un análisis bioinformático mostró que el pH del suelo era el factor ambiental más importante asociado con la abundancia de estos organismos.
Para probar el hallazgo estadístico, los investigadores llevaron a cabo experimentos de enriquecimiento de laboratorio, sometiendo a una comunidad microbiana natural a diferentes condiciones de crecimiento.
Durante la desnitrificación, determinadas enzimas desempeñan funciones en la conversión del nitrato en diversos compuestos que contienen nitrógeno. Una de estas formas, el nitrito, es más tóxica en suelos ácidos (pH bajo) que en condiciones neutras con un pH más alto.
Los experimentos mostraron que las cepas con enzimas llamadas Nar, vinculadas a la creación de nitrito tóxico, y las cepas con enzimas llamadas Nap, vinculadas al consumo de nitrito, fluctuaban en función de la acidez del suelo.
«Encontramos más Nar a un pH bajo y menos Nap, y viceversa a medida que el pH del suelo se acercaba a la neutralidad», dijo Gowda. «Por lo tanto, vemos dos tipos diferentes de organismos que prevalecen en un pH ácido frente a uno neutro, pero también descubrimos que eso en realidad no explica lo que está sucediendo. No es solo el entorno lo que determina quién está allí, sino que en realidad es el entorno más las interacciones entre más organismos en la comunidad.
«Esto significa que el pH afecta la interacción entre los organismos de la comunidad de una manera más o menos constante; siempre se trata de la toxicidad del nitrito. Y esto resalta cómo diferentes bacterias trabajan juntas para prosperar en distintos niveles de pH del suelo».
Gowda afirmó que ese hallazgo fue novedoso e importante. Se sabe que las bacterias y otros microorganismos están impulsados por la voluntad de sobrevivir, pero también dependen unos de otros para mantenerse a salvo, y esa cooperación tiene implicaciones para la salud ambiental , sugiere la investigación.
«Si bien los efectos de la aptitud individual claramente juegan un papel en la definición de patrones en muchos contextos, las interacciones probablemente sean esenciales para explicar patrones en una variedad de otros contextos», escribieron los autores.
Comprender cómo las interacciones y el medio ambiente afectan las emisiones de óxido nitroso podría brindar nuevos conocimientos para reducir este potente gas de efecto invernadero , dijo Gowda. Las bacterias desnitrificantes son fuentes y sumideros clave de óxido nitroso en suelos agrícolas. Si bien los estudios anteriores se han centrado en el comportamiento de estos organismos emisores de óxido nitroso en diferentes condiciones de pH, considerar sus interacciones ecológicas puede ofrecer nuevas estrategias para reducir las emisiones.
Más información: Kyle Crocker et al., Las interacciones dependientes del entorno dan forma a los patrones del contenido genético en los microbiomas naturales, Nature Microbiology (2024). DOI: 10.1038/s41564-024-01752-4
