1. INTRODUCCIÓN
Por su importancia, el suelo es la fuente universal de vital importancia para todos los servicios ecosistémicos de la Tierra:
- El mayor depósito de nutrientes y agua para las plantas;
- El mayor regulador de las emisiones de gases;
- El mayor participante en el ciclo y reciclaje de elementos y moléculas biogénicas.
Las consecuencias negativas del cambio climático, por ejemplo, las intensas inundaciones o los largos periodos de sequía y las extensas actividades antropogénicas relacionadas con la industria y la agricultura, imponen una aceleración de la fragmentación del suelo. Se necesitan medidas urgentes para minimizar estos impactos negativos sobre la estructura del suelo y proteger su salud.
Una de las estrategias que conforman un conjunto de medidas de protección potencialmente impactante es el empleo de bioindicadores que caractericen las fluctuaciones en la salud del suelo y proporcionen información valiosa que complemente la acumulada por las características físico-químicas.
Los estudios medioambientales exploran diversos bioindicadores. Abarcan distintos reinos de la vida y van desde los microorganismos hasta los invertebrados. Ejemplos típicos son el
- Lombrices de tierra (Moreiera et al., 2012);
- Nematodos (Martin et al., 2022);
- Escarabajos (Menta and Remelli, 2020);
- Microorganismos (Schloter et al., 2018).
Entre todos, los microorganismos poseen el potencial de ser bioindicadores útiles debido a los métodos regulados establecidos por la Organización Internacional de Normalización (ISO) para su uso en análisis de la calidad del suelo (ISO 14240-1:1997, ISO 16072:2002, ISO/TS 10832:2009, ISO/TS 29843-1:2010, ISO 17601:2016, ISO 18400-206:2018, ISO 11063:2020). Sin embargo, sólo uno de estos métodos (ISO 11063:2020) está relacionado con las técnicas genómicas, aplicables para la extracción directa de ADN del suelo.
Así pues, se necesitan conocimientos y habilidades prácticas para el uso de técnicas metagenómicas en la evaluación de la calidad y la salud del suelo mediante la identificación de las comunidades microbianas del suelo en muestras distintas.
2. HALLAZGOS
2.1. Microorganismos: biomarcadores de la salud del suelo
Las biotransformaciones del suelo (por ejemplo, los ciclos biogeoquímicos, la acumulación y/o la degradación de la materia orgánica) se atribuyen a la biodiversidad que alberga el suelo. Entre los representantes de diversos reinos, los de Bacterias y Hongos son los más abundantes y con mejor contribución: más del 80% de los procesos mencionados están directamente relacionados con el componente microbiano del ecosistema global.
El microbioma del suelo – las comunidades microbianas del suelo y su material genético – es un sistema sensible que refleja las fluctuaciones del entorno y responde rápidamente a cualquier cambio ambiental de forma que aquellos individuos mejor adaptados a dichos cambios puedan sobrevivir y persistir en el suelo.
La biodiversidad microbiana del suelo depende de las características físico-químicas del propio suelo, de su estado de contaminación y de las técnicas de gestión del suelo utilizadas. Así pues,
- pH: Fierer and Jackson, 2006;
- Contaminación por metales pesados: Feng et al., 2018; y
- Gestión del uso del suelo: Bhowmik et al., 2019;
se pueden determinar lps cambios en las poblaciones microbianas, y estos cambios pueden utilizarse como indicadores de la salud del suelo. Dado que el USDA define la salud del suelo como … la capacidad continuada del suelo para funcionar como un ecosistema vivo vital que sustenta las plantas, los animales, la productividad primaria y la biodiversidad ecológica …., los microorganismos del suelo pueden servir como un bioindicador nítido y fiable.
Históricamente, los conocimientos sobre los microorganismos del suelo se remontan al siglo XIX. Sin embargo, hay varios hitos importantes en la investigación que pusieron de relieve su potencial como bioindicadores de la salud del suelo:
- El primero es el establecimiento del papel de los microorganismos del suelo en el ciclo de los nutrientes y su utilización en la cuantificación de la dinámica de los nutrientes. La parte experimental exigió el cultivo y la identificación de las especies microbianas y, en consecuencia, más del 97% de las especies bacterianas y arqueas permanecieron inidentificables por no ser cultivables. Así pues, la abundancia de microorganismos del suelo apenas se estimó ni estudió.
- El siguiente es el uso del moviloma del suelo. Se trata del denominado acervo genético volátil, representado por plásmidos, bacteriófagos y ADN extracelular adquirido mediante transferencia genética (transformación). Entre todos, los plásmidos son los que están acaparando la atención, ya que portan genes que confieren rasgos valiosos a sus huéspedes (y al microbioma del suelo en general), operables en condiciones de estrés (por ejemplo, la presencia de antibióticos u otras sustancias químicas). Los investigadores han comprobado que la frecuencia y diversidad de los plásmidos aumentan como respuesta al cambio de las condiciones ambientales y a la activación de factores estresantes. Esta dependencia permite establecer los biomarcadores del moviloma del suelo como informadores de la presencia de estrés en estos suelos y como marcadores del estado del suelo per se. Además, los elementos genéticos móviles como los plásmidos Ti y Sym son responsables de las interacciones microbio-planta y, como tales, explican la transferencia horizontal de genes que tiene lugar a gran velocidad en la rizosfera de las plantas. Lo mismo es válido para la interacción bacteria-hongo, por ejemplo, Burkholderia terraey los hongos del suelo, en la que ciertos grupos de genes bacterianos pueden utilizarse como informadores sobre las bacterias que interactúan con los hongos del suelo.
- La más reciente es la revolución molecular que permite el uso de la técnica metagenómica para la extracción de ácidos nucleicos directamente de muestras de sueloy omitiendo el paso de cultivo para caracterizar los microorganismos.
La metodología metagenómica comprende:
- Extracción de ADN/ARN directamente de una muestra de suelo;
- Hacer bibliotecas genómicas de todas las especies microbianas encontradas en un sitio de estudio de suelo definido;
- Secuenciación y procesamiento bioinformático.
Actualmente, la técnica metagenómica está implicada como herramienta bioindicadora para el análisis de la salud del suelo.
Aprende: Cómo extraer eficazmente el ADN del suelo (vídeo)
Aprende: Cómo hacer bibliotecas genómicas (vídeo)
Aprende: Qué es una secuenciación genómica (vídeo)
2.2. Estudios genómicos y metagenómicos de las comunidades microbianas del suelo: conocimientos teóricos y prácticos
La aplicación de técnicas metagenómicas al estudio de la salud del suelo reveló la gran diversidad de microorganismos no cultivables y descifró nuevos genomas. Ahora es posible relacionar miembros concretos de las comunidades microbianas con determinadas transformaciones del suelo. Por ejemplo:
- Impacto de la actividad antropogénica – variaciones en los grupos taxonómicos de microorganismos;
- Conversión de tierras naturales en agrícolas (por ejemplo, suelos forestales en pastizales) – alteraciones en el microbioma del suelo;
- Introducción de taxones bacterianos a través de actividades agrícolas – alteraciones en el microbioma del suelo;
- Uso de pesticidas y fertilizantes – reducción de la abundancia de algunos filos microbianos.
La adaptación e interacción entre las comunidades microbianas del suelo y el efecto de los cambios ambientales sobre estos fenómenos también pueden estudiarse mediante enfoques metagenómicos. Para estos fines pueden especificarse dos tipos de metagenómica.
- La metagenómica guiada (o metabarcodificación) busca la identificación taxonómica a gran escala mediante el análisis del ADN de un único gen o de un pequeño número de ellos. Este enfoque se aplica para estudiar la abundancia relativa de un determinado gen, es decir, un marcador molecular específico en una muestra de suelo, y permite la identificación de grupos taxonómicos distintos. Los marcadores moleculares son diferentes en función de los organismos buscados. En el caso de los microorganismos, se trata de los genes ARNr 16Spara las bacterias y los elementos ITS para los hongos.
- La metagenómica Shotgun determina el contenido genómico total de una muestra mediante bibliotecas de secuenciación. Esta técnica se aplica para la identificación del potencial funcional de las comunidades microbianas. Además, puede ayudar en la asignación de identidades taxonómicas, ya que secuencia todo el material genético presente en una muestra de suelo. De este modo, la metagenómica de escopeta puede lograr la reconstrucción de genes y genomas completos contribuyendo a su anotación e interpretación de rutas metabólicas.
En un contexto comparativo, ambas técnicas difieren en el producto que obtienen y en los métodos bioinformáticos que emplean. Para la metabarcodificación y los métodos bioinformáticos de escopeta, siga los siguientes pasos Duque-Zapata et al., 2023.
Aprende: Cómo realizar la metaboarcodificación (video)
Aprende: Principio de la secuenciación metagenómica Shotgun (video)
3. ALTERNATIVAS (DEBATE)
3.1. Limitaciones y retos de la metagenómica del suelo
La aportación de la metagenómica a nuestra comprensión del microbioma del suelo es indiscutible. Sin embargo, hay ciertas limitaciones y retos que deben tenerse en cuenta.
- Características físico-químicas del suelo. Las propiedades físicas y químicas del suelo influyen en la composición y el funcionamiento del microbioma del suelo. Los análisis metagenómicos clásicos tienen en cuenta el pH, la temperatura, la humedad y el C orgánico del suelo. La influencia de los elementos K, P y Fe se descuida o subestima.
- Estructura del suelo, profundidad del muestreo y fluctuaciones estacionales. Las propiedades mencionadas varían en función de la profundidad del suelo y de los cambios estacionales del entorno, un hecho que hace que las conclusiones lanzadas sobre una muestra de suelo concreta sean difícilmente aceptables para identificar los microorganismos a escala ecosistémica o global.
- Dificultades técnicas. La metagenómica de suelos genera una enorme cantidad de datos de secuenciación en bruto. Este volumen de datos convierte la replicación de un estudio de investigación en un verdadero reto. Además, un número relativamente grande de secuencias o unidades taxonómicas carecen de información disponible en la actualidad. La metabarcodificación está limitada al uso de la PCR y al sesgo que puede producirse durante el procesamiento bioinformático. La metagenómica Shotgun depende de la profundidad de secuenciación, que debe ser lo suficientemente alta como para cubrir todo el contenido genómico de cada microbio presente en una muestra de suelo para permitir un análisis integral de su potencial funcional.
4. SOLUCIONES
Los análisis metagenómicos repercuten en el descubrimiento de microorganismos en distintos ámbitos, lo que da lugar al desarrollo de ambiciosos proyectos que contribuyen a la invención y aplicación de biomarcadores microbianos para la evaluación de la salud del suelo. Algunas de estas áreas son las siguientes:
4.1. Enfoque «Una sola salud» para la salud del suelo
OneHealth es un término sumativo que hace referencia a las interacciones entre microorganismos, plantas, animales y seres humanos, cómo influyen en la homeostasis del ecosistema, los efectos que ejercen sobre la salud humana y la detección, prevención y control de los riesgos que afectan a la salud humana. Entre los agentes de OneHealth, los microorganismos desempeñan un papel vital dentro de los ecosistemas. Sus efectos abarcan acciones nocivas para sus huéspedes, ejecutando el papel de factores de virulencia, o reservorios de genes de enfermedad/resistencia a fármacos. Dado que la gran mayoría de los microorganismos no son cultivables, el enfoque metagenómico para su estudio revela perspectivas para el enriquecimiento de nuestro conocimiento de «OneHea;th» debido a su capacidad para explorar cómo los microbios interactúan con su entorno. Pueden encontrarse aplicaciones útiles en este sentido en otras áreas relacionadas con la salud del ecosistema global:
- Human Microbiome Project– vigilancia epidemiológica de los seres humanos y de las interacciones de su microbioma: caracterización comparativa del microbioma intestinal de individuos sanos y de individuos que padecen diversas enfermedades.
- ListeriaInfection Project – reconocimiento de más de 33 nuevos ARN pequeños y 53 nuevos ARN antisentido con implicación putativa en la inhibición de la expresión de varios operones reguladores en Listeria monocytogenes.
- 2009 Pandemic Influenza Survey– Aplicación de enfoques basados en la metagenómica (microarrays panvirales y secuenciación profunda) para estudiar las variaciones del virus de la gripe H1N1 y descubrimiento de la capacidad de ensamblar su genoma casi (90%) de novo. Estas técnicas se proponen como estrategia preventiva y herramienta de diagnóstico para investigar brotes de nuevos patógenos.
- Seguimiento mundial de la resistencia a los antimicrobianos– aplicación del enfoque metagenómico para realizar una vigilancia mundial continua y la predicción de genes de resistencia a los antimicrobianos utilizando aguas residuales: una decisión éticamente aceptable y económicamente viable.
El enfoque «OneHealth» se ha profundizado y ampliado con el concepto de Planetary health, que considera los ecosistemas planetarios y sus alteraciones relacionadas con el cambio climático, los trastornos de los ciclos biogeoquímicos del C y el N, la pérdida de biodiversidad a escala global y la contaminación atmosférica. Aunque la investigación sobre este concepto se centra en los daños al suelo, la conexión entre la salud del suelo y la Salud Planetaria está bien reconocida. La resistencia a los antimicrobianos y el fomento de dietas basadas en plantas para disminuir las emisiones de gases de efecto invernadero son algunos de los temas que merecen atención. La reducción del uso de pesticidas y el fomento de la biodiversidad de los cultivos estimulan la biodiversidad de los campos de cultivo y el microbioma del suelo. De este modo, se puede enriquecer y proteger la biodiversidad mundial. Por otro lado, una mejor gestión de la salud del suelo y la concienciación de la población sobre la necesidad de gestionar el microbioma del suelo mediante buenas prácticas agrícolas podrían ayudar a reducir los patógenos asociados al suelo y frenar la propagación de la resistencia a los antimicrobianos.
Las relaciones entre los enfoques y prioridades de «Una Salud» y «Salud Planetaria», las buenas prácticas agrícolas y su reflejo en la salud del suelo se esbozan en el diagrama de flujo de la Fig. 8.1.
4.2. Ecogenómica
La ecogenómica (de genómica ecológica) es una rama de la genómica que trata de revelar el efecto del funcionamiento de los genes/genomas en la interacción de los organismos en sus entornos naturales. Utilizando la metagenómica como enfoque integrador, los investigadores señalaron la importancia de las relaciones entre representantes de distintos reinos:
- Plantas-polinizadores– aplicación de la metabarcodificación para evaluar y estudiar las interacciones entre plantas y diferentes insectos;
- Microorganisms-Black Soldier Fly– aplicación de la metagenómica para analizar el microbiota intestinal de la mosca soldado negra e identificar patógenos causales que pueden comprometer la cosecha de estas moscas con fines alimenticios debido al riesgo de enfermedades zoonóticas.
- Plantas-Microorganismos de la filosfera– estudio metagenómico de la filosfera del arroz con énfasis en el potencial fitopatológico de los microorganismos que colonizan el exterior de las plantas.
- Plantas medicinales y aromáticas – rizobacterias– enfoque metagenómico para identificar bacterias que contribuyen a las propiedades MAP de importancia farmacéutica.
- Technical crops-rhizobacteria– análisis metagenómico de los genes promotores que regulan la transcripción de genes implicados en el crecimiento vegetativo y el ciclo C en campos de maíz con diferentes historias de cultivo y gestión.
- Animales-microorganismos-plantas– metabarcodificación de los rostros de los animales salvajes y determinación de las especies fúngicas y vegetales para caracterizar su dieta y diseñar estrategias de conservación basadas en la garantía de unos recursos alimentarios adecuados.
Figura 1. Enfoques de Buenas Prácticas Agrícolas para apoyar la salud del suelo y su reflejo en los enfoques y prioridades de Una Salud y Salud Planetaria. (Source: Montgomery et all., 2024)
4.3. Inventario mundial del microbioma del suelo
Aplicar la metagenómica al estudio del microbioma del suelo no es sólo un objetivo ambicioso. Es de crucial importancia para establecer estrategias de bienestar, producción y conservación de plantas, animales y ecosistemas. La biodiversidad y el rendimiento metabólico del microbioma del suelo son objeto de proyectos específicos centrados en la aplicación de estudios metagenómicos a estos fines. Estos proyectos pretenden revelar la abundancia y las funciones de los microorganismos del suelo mediante técnicas genómicas.
Proyecto TerraGenome
El proyecto TerraGenome es un consorcio internacional de investigación que reúne a 23 países y cuyo objetivo es establecer una huella genética completa de todas las especies bacterianas presentes en muestras de suelo de referencia procedentes de un mismo lugar: Rothamstead (Reino Unido). Este lugar se utiliza porque su uso y gestión están bien regulados desde hace más de siglo y medio. El proyecto tiene dos objetivos:
- Hacer un catálogo de todos los genes del suelo y
- revelar sus funciones y sus interacciones entre sí.
La idea que subyace a la caracterización en detalle de un único metagenoma del suelo es utilizar dicho suelo como referencia para futuros análisis metagenómicos.
El campo de investigación del proyecto TerraGenome comenzó en 2008 con el aislamiento del ADN y un año después continuó con el análisis de millones de secuencias de ADN del suelo, que se prolongó durante más de 10 años.
La escala del proyecto TerraGenome es enorme; también lo son los retos técnicos, ya que hay que secuenciar, anotar y comparar los genomas de miles de especies individuales. El proyecto TerraGenome no sólo persigue sus objetivos relacionados con la secuenciación del microbioma del suelo, sino que también sirve de plataforma estándar para otros esfuerzos de secuenciación metagenómica del suelo.
Earth Microbiome Project (EMP)
La AEM comenzó en 2010 en EE.UU. como una iniciativa conjunta para estudiar los componentes de los microorganismos en distintos ecosistemas y sus alrededores de todo el mundo en condiciones experimentales estándar. El objetivo de este proyecto abierto y colaborativo era comparar múltiples comunidades microbianas mediante la secuenciación de amplicones y la metagenómica.
La misión del proyecto EMP consistía en construir un mapa microbiano de nuestro planeta empleando el espacio de parámetros ambientales en diferentes biomas y estudiarlos a través de muestras recogidas en todo el mundo.
En 2017 se publicaron los primeros resultados del proyecto EMP, basados en casi 28.000 muestras recogidas en todo el mundo (7 continentes, 43 países), el procesamiento de más de dos mil millones de secuencias y la identificación de 308 especies. En la actualidad, está activa la segunda fase del proyecto EMP – el Earth Microbiome Project 500 (EMP500) centrado en la secuenciación metagenómica y la elaboración de perfiles metabólicos de comunidades microbianas de diversos lugares de la Tierra. El EMP500 actualizó el EMP con nuevos protocolos de secuenciación y ensamblaje metagenómico. Amplía la naturaleza de los sitios experimentales, incluyendo una gama de hábitats y un total de 500 muestras que cumplen ciertos criterios que garantizan la comparabilidad y reproducibilidad de los resultados.
5. RECOMENDACIONES (CONCLUSIÓN)
Para evaluar la salud y la calidad del suelo se requiere un enfoque integrado que unifique la explotación de un conjunto de variables en un marco común. Los parámetros que describen el microbioma del suelo podrían agruparse en una red de este tipo y utilizarse para discriminar el estado del suelo en condiciones normales y de estrés.
Esta red debería unificar tanto los indicadores tradicionales como los innovadores. Los primeros incluyen una evaluación de las cualidades visibles del suelo y de las características físicas y químicas mensurables. Los segundos comprenden herramientas innovadoras avanzadas, resultado de los conocimientos de la investigación y del desarrollo tecnológico que han dado lugar a una comprensión más profunda de los procesos microbianos del suelo. La metagenómica es uno de los enfoques y técnicas más impactantes en este sentido, ya que permite medir la abundancia y diversidad de los microorganismos del suelo. De este modo, permite que el microbioma del suelo sirva como indicador fiable del estado de evaluación de la salud del suelo.
La metagenómica permite estudiar la estructura, la biodiversidad y las funciones de comunidades microbianas de distintos entornos – en norma y bajo estrés- y contribuye no sólo a evaluar la salud del suelo, sino también a configurar estrategias de biorremediación, prácticas agrícolas y salud humana.
6. REFERENCES
Duque-Zapata J.D., Lopez-Alvarez D., Muñoz J. E. Metagenomics approaches to understanding soil health in environmental research – a review. Soil Science Annual, April 2023 DOI: 10.37501/soilsa/163080
Ma B., Lu C., Wang Y. et al. (2023) A genomic catalogue of soil microbiomes boosts mining of biodiversity and genetic resources. Nat Commun 14, 7318. https://doi.org/10.1038/s41467-023-43000-z.
Montgomery R. R., Rabinowitz P., Sipos Y., Wheat E. E. (2024) Soil health: A common focus for one health and planetary health interventions. One Health, 18, 100673 https://doi.org/10.1016/j.onehlt.2023.100673
Xu Z, Hansen MA, Hansen LH, Jacquiod S, Sørensen SJ (2014) Bioinformatic Approaches Reveal Metagenomic Characterization of Soil Microbial Community. PLoS ONE 9(4): e93445. doi:10.1371/journal.pone.0093445
Vogel, T., Simonet, P., Jansson, J. et al. TerraGenome: a consortium for the sequencing of a soil metagenome. Nat Rev Microbiol 7, 252 (2009). https://doi.org/10.1038/nrmicro2119
