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

Los microorganismos pueden dar esperanzas de que las turberas puedan soportar temperaturas más altas en un clima cambiante, según un estudio publicado recientemente en la revista New Phytologist.

Científicos del Laboratorio Nacional Oak Ridge del Departamento de Energía han descubierto que ciertas bacterias aumentan la resistencia al clima del musgo Sphagnum, la diminuta planta responsable de almacenar un tercio del carbono del suelo mundial en las turberas. Los microbios tolerantes al calor transfieren esa protección a las plantas, ayudándolas a sobrevivir al calentamiento climático.

Entender mejor el funcionamiento de la asociación mutuamente beneficiosa, o simbiosis, entre el musgo y los microbios podría indicar nuevas vías para mantener el musgo sano y preservar estos ecosistemas vitales de las turberas que secuestran tanto carbono.

«Tal vez no todo sea tan grave como pensamos», dijo David Weston del ORNL, biólogo de plantas y líder del reciente estudio. «Quizá los organismos sean más resistentes de lo que sabemos a estas condiciones climáticas extremas. Estamos viendo que se puede influir drásticamente en la capacidad de un organismo para manejar estas condiciones estresantes sólo 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 el Sphagnum active ciertos genes, desencadenando 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 al musgo sobrevivir mejor a las olas de calor.

Los resultados ofrecen un rayo de esperanza para el musgo y su función de secuestrar carbono a medida que aumentan las temperaturas. Los resultados de estudios anteriores del ORNL han demostrado que secciones de turberas calentadas en un experimento de manipulación de todo el ecosistema pasaron de ser acumuladores de carbono a emisores de carbono en sólo 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 podían transferir características deseables al musgo, se inspiraron en una fuente improbable: un estudio de gemelos humanos. Los gemelos tenían físicos diferentes: uno tendía a la obesidad y el otro a la delgadez. Cuando se transfirieron microorganismos de sus tractos digestivos a ratones que casi no tenían microbiomas propios, el ratón con los microbios del gemelo obeso creció más que el otro, aunque ambos ratones 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 del 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 turba a cinco temperaturas diferentes y las exponen a niveles elevados de dióxido de carbono. Estos recintos permiten a los científicos medir los efectos de posibles climas futuros.

En los recintos más cálidos, los microbios están adaptados a temperaturas más altas y pueden transmitir esa tolerancia al calor al musgo. Los investigadores lo demostraron extrayendo microbios -los que vivían dentro de los musgos en un recinto a temperatura ambiente y los que vivían en el recinto más cálido del SPRUCE, unos 16 F más caliente- y transfiriendo esos grupos de microbios a musgos cultivados en un entorno de laboratorio sin microbiomas propios.

Los investigadores utilizaron cámaras ambientales en el ORNL para someter a los musgos de laboratorio a breves periodos de temperaturas más elevadas, denominados golpes de calor. Bajo estas olas de calor simuladas, el microbioma tomado del recinto más cálido transmitió una tolerancia significativa al calor a los musgos de laboratorio.

Los científicos midieron cambios similares en los genes y las proteínas, así como un aumento del 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 mantenerlo sano, ya que el musgo ofrece a las bacterias un refugio frente a la acidez parecida al vinagre de la turbera. Los microbios viven en el interior de las células muertas, llamadas células hialinas, que rodean las hojas de musgo. Estas células retienen el agua para el musgo sin raíces y proporcionan a los microbios un entorno menos ácido.

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

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

Los investigadores descubrieron 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 las pruebas demuestran que estos factores son importantes para mantener la simbiosis entre el 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 entorno ácido, las cianobacterias no interactúan con el musgo y dedican sus reservas de nitrógeno a su propio crecimiento.

«Esto responde a una antigua pregunta ecológica sobre los pantanos en comparación con las turberas», dijo Weston. «Los pantanos son humedales con un pH más alto, y las cianobacterias fijan mucho nitrógeno en esos ecosistemas. Pero se ve muy poco musgo en los pantanos».

El hallazgo sobre el pH también señala un camino potencial hacia la supervisión y gestión de las turberas en el futuro para mantener el entorno ácido que favorece la simbiosis musgo-microbios. Esta asociación mantiene al musgo sano y cumpliendo sus funciones críticas de capturar el carbono de la atmósfera y encerrarlo en las profundidades húmedas de la turbera, sumándose a las capas de metros de profundidad de materia vegetal antigua.

«Soy un poco optimista en cuanto a que si logramos entender estas claves de las interacciones simbióticas, tal vez eso nos dé otro método o mecanismo por el que los sistemas puedan ser más resistentes al clima», dijo Weston.

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