Los microbios mejoran la resiliencia de las turberas ricas en carbono frente al calentamiento

Los microorganismos pueden brindar la esperanza de que las turberas puedan resistir temperaturas más altas en un clima cambiante, según un estudio publicado recientemente en el Nuevo fitólogo.

Los científicos del Laboratorio Nacional Oak Ridge del Departamento de Energía han descubierto que ciertas bacterias aumentan la resiliencia climática del musgo Sphagnum, la pequeña planta responsable de almacenar un tercio del carbono del suelo del mundo en turberas. Los microbios tolerantes al calor transfieren esa protección a las plantas, ayudándolas a sobrevivir al cambio climático.

Comprender mejor el funcionamiento de la asociación mutuamente beneficiosa, o simbiosis, entre el musgo y los microbios podría señalar nuevos caminos para mantener el musgo saludable y preservar estos ecosistemas vitales de turberas que secuestran tanto carbono.

«Tal vez no todo sea tan grave como pensamos», dijo David Weston, biólogo de plantas de ORNL y líder del estudio reciente. «Tal vez los organismos son más resistentes de lo que sabemos a estas condiciones climáticas extremas. Estamos viendo que puedes influir drásticamente en la capacidad de un organismo para manejar estas condiciones estresantes solo en su microbioma asociado».

El equipo de investigación descubrió que las temperaturas más altas cambian la composición de las comunidades microbianas, o microbiomas, que viven en el musgo Sphagnum. Este cambio en la composición de la comunidad hace que Sphagnum active ciertos genes, lo que desencadena la producción de hormonas y proteínas que se sabe que confieren tolerancia al estrés.

El equipo demostró que los microbios tolerantes al calor, cuando se aplican al musgo de laboratorio cultivado sin un microbioma propio, provocan la misma respuesta protectora y permiten que el musgo sobreviva mejor a las olas de calor.

Los hallazgos ofrecen un rayo de esperanza para el musgo y su función en el secuestro de carbono a medida que aumentan las temperaturas. Los resultados de estudios anteriores de ORNL han demostrado que secciones de turberas calentadas en un experimento de manipulación de todo el ecosistema cambiaron de acumuladores de carbono a emisores de carbono en solo tres años, liberando dióxido de carbono y metano a la atmósfera.

De ratones y musgo

Cuando Weston y un equipo multiinstitucional se propusieron explorar si los microbios podrían transferir características deseables al musgo, se inspiraron en una fuente poco probable: un estudio de gemelos humanos. Los gemelos tenían diferentes físicos, uno tendía a la obesidad y el otro delgado. Cuando los microorganismos de sus tractos digestivos se transfirieron a ratones que casi no tenían microbiomas propios, el ratón con los microbios del gemelo obeso creció más que el otro a pesar de que ambos comían la misma dieta.

Weston se preguntó, ¿por qué no podemos hacer algo similar en las plantas?

Para responder a esa pregunta, el equipo de investigación tomó muestras de microbios del sitio DOE Spruce and Peatland Responses Under Changing Environments (SPRUCE) en el norte de Minnesota. SPRUCE es un sitio experimental único con una serie de grandes recintos, que miden 23 pies de alto por 43 pies de ancho, que calientan secciones de turbera a cinco temperaturas diferentes y las exponen a niveles elevados de dióxido de carbono. Estos recintos permiten a los científicos medir los efectos de los posibles climas futuros.

En los recintos más cálidos, los microbios se adaptan a temperaturas más altas y pueden transmitir esa tolerancia al calor al musgo. Los investigadores demostraron esto extrayendo microbios, los que viven dentro de los musgos en un recinto a temperatura ambiente y los que viven en los recintos más cálidos de SPRUCE, aproximadamente 16 F más calientes, y transfiriendo esos grupos de microbios a musgos que se cultivaron en un entorno de laboratorio sin microbiomas. de los suyos.

Los investigadores utilizaron cámaras ambientales en ORNL para someter a los musgos de laboratorio a breves períodos de temperaturas más altas, llamados choques térmicos. Bajo estas olas de calor simuladas, el microbioma tomado del recinto más cálido transmitió una tolerancia al calor significativa a los musgos de laboratorio.

Los científicos midieron cambios similares en los genes y las proteínas, así como un aumento en el crecimiento del musgo en el musgo de laboratorio que recibió el microbioma tolerante al calor, incluso cuando los investigadores no sometieron al musgo de laboratorio a un choque térmico. Esto indica que los microbios impartieron algún preacondicionamiento protector al musgo.

Los cambios moleculares crean efectos en el ecosistema

Las cianobacterias son miembros clave del microbioma del musgo y tienen un gran interés en mantener el musgo saludable, ya que el musgo ofrece a las bacterias un refugio de la acidez similar al vinagre de la turbera. Los microbios viven dentro de las células muertas, llamadas células hialinas, que rodean las hojas de musgo. Estas células retienen agua para el musgo sin raíces y proporcionan a los microbios un entorno menos ácido.

El musgo también necesita las cianobacterias. Los microbios extraen nitrógeno del aire y se lo proporcionan a la planta en una forma que el musgo puede usar para impulsar su crecimiento. A cambio, el musgo proporciona azúcares a las bacterias. Un estudio reciente de Weston y sus colegas descubrió nuevos detalles sobre el funcionamiento de esta importante relación simbiótica.

«Estamos descubriendo que los mecanismos por los cuales la planta y los microbios trabajan juntos para formar estas interacciones simbióticas influyentes son mucho más complicados de lo que pensábamos», dijo Weston. «La simbiosis depende de las interacciones ambientales externas, así como de interacciones genéticas realmente fuertes».

Los investigadores encontraron que el musgo proporciona a las cianobacterias compuestos ricos en azufre y una forma inusual de azúcar, llamada trehalosa de carbono, que permanece estable en el ambiente ácido. Aunque la evidencia muestra que estos factores son importantes para mantener la simbiosis entre Sphagnum y las cianobacterias, los investigadores aún no comprenden los mecanismos subyacentes.

El equipo demostró que la acidez, o el bajo pH, de la turbera es esencial para la simbiosis musgo-microbio. Sin el ambiente ácido, las cianobacterias no interactúan con el musgo y, en cambio, dedican sus reservas de nitrógeno a su propio crecimiento.

«Esto responde a una pregunta ecológica de larga data sobre pantanos versus pantanos», dijo Weston. «Los pantanos son humedales que tienen un pH más alto, y las cianobacterias están fijando una gran cantidad de nitrógeno en esos ecosistemas. Pero se ve muy poco musgo en los pantanos».

El hallazgo de pH también apunta a un camino potencial hacia el monitoreo y manejo de turberas en el futuro para mantener el ambiente ácido que favorece la simbiosis microbiana-musgo. La asociación mantiene el musgo saludable y realiza sus funciones críticas de capturar carbono de la atmósfera y encerrarlo en las profundidades húmedas de la ciénaga, añadiéndose a las capas de materia vegetal antigua de varios metros de profundidad.

«Soy algo optimista de que si podemos entender estas claves para las interacciones simbióticas, tal vez eso nos brinde otro método o mecanismo por el cual los sistemas pueden volverse más resistentes al clima», dijo Weston.