MICROBIOMA ANIMAL

Transmisión materna de microbiota durante el desarrollo embrionario

Las interacciones entre animales y microorganismos son parte fundamental de diferentes aspectos de la biología de los animales, e.g. desarrollo, fisiología, comportamiento y ecología. Los animales evolucionaron en un mundo microbiano y han desarrollado mecanismos muy sofisticados para controlar su ambiente microbiano desde etapas muy tempranas del desarrollo. La esterilidad del útero es un paradigma muy arraigado en biología. Sin embargo, recientes investigaciones en humanos han detectado ADN de bacterias en la sangre del cordón umbilical, placenta, líquido amniótico y meconio. Esto es muy significativo porque las bacterias deben pasar inevitablemente a través de la placenta o de las membranas extraplacentarias. Aunque la evidencia aún es debatida, ¿qué tal si algunas bacterias no sólo son biota normal, sino que además son parte crucial del desarrollo? Por ejemplo, para modelar el desarrollo del sistema inmune. 

Evidencias en lagartijas vivíparas

El género Sceloporus es uno de los grupos de lagartijas con mayor diversidad en Norteamérica. Está integrado por casi 100 especies de lagartijas ovíparas y vivíparas. Particularmente, Sceloporus grammicus es una lagartija vivípara, generalista y ampliamente distribuida, geográfica y altitudinalmente. La amplia variedad de adaptaciones que le han permitido colonizar un gran número de hábitats debe incluir algo que no se ha determinado aún pero que ha promovido su adecuación, plasticidad y adaptabilidad. ¿Podría ser que la transmisión materna de bacterias durante la etapa embrionaria en lagartijas vivíparas les ha permitido preparar a su progenie para la interacción con microorganismos, incluyendo patógenos, considerando que la retención extendida del embrión y la desaparición del cascarón puede reducir la barrera física entre el ambiente materno y el embrión y exponerlo a la microbiota materna por un periodo más largo? Los objetivos principales de esta propuesta son: probar la transmisión materna de bacteria a los embriones en lagartijas vivíparas (S. grammicus), rastrear el origen de microorganismos transmitidos al embrión y determinar la composición y cantidad de metabolitos y proteínas del útero para explorar cualquier potencial interacción metabólica-inmunológica con microorganismos.

Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología

Ciencia de Frontera 2019. Proyecto: 137748.  

“Transmisión materna de microbiota durante el desarrollo embrionario: evidencias en lagartijas vivíparas”

Microbioma del suelo

Efecto del cambio de uso del suelo sobre el microbioma edáfico

El suelo es un recurso no renovable, y últimamente, está bajo una intensa presión debido a la intensificación de las actividades humanas. El cambio de uso de suelo es una de las principales amenazas de la biodiversidad mundial y uno de los cambios más devastadores es la conversión de ecosistemas naturales a sistemas de agricultura, ganadería o para infraestructura (FAO, 2010). En el periodo 2005-2010 la cantidad de carbono en forma de biomasa forestal se redujo 0.5 gigatoneladas por año en el mundo (FAO, 2010). La eliminación de la cobertura vegetal y el cultivo causan cambios en las propiedades físicas, químicas y biológicas del suelo, asociados a la reducción de la materia orgánica, deterioro de la estructura del suelo y disminución de la biomasa y actividad microbiana. Sin embargo, las comunidades microbianas del suelo frecuentemente se enfrentan a cambios ambientales, y aún así, mantienen la estabilidad funcional. Así, la medida en que las comunidades de microorganismos se mantienen estables frente un cambio o perturbación se conoce como resistencia y resiliencia.

Los bosques templados de alta montaña en México

Uno de los ecosistemas más afectado por el cambio de uso de suelo son los bosques templados que, en nuestro país debido a la latitud, ocurren en grandes elevaciones. Según datos de la CONABIO se han perdido cerca del 25% de los bosques templados en México. Y una de las regiones más afectadas es la Faja volcánica Transmexicana (FVT).

Lamentablemente los bosques templados de la FVT están bajo una enorme presión debido a que se justo ahí se desarrolla la megalópolis de la región centro de México. Más del 50% de la población de todo México se concentra en este pedacito y es la tercera aglomeración urbana más grande a nivel mundial. 

Pérdida de la diversidad del suelo en bosques templados de México

El caso de la Montaña La Malinche

Lo que ocurre en el suelo es de vital importancia para los ecosistemas terrestres debido a las funciones que realizan los microrganismos y porque en términos de biomasa son comparables con la biomasa que hay sobre el suelo. Entre las funciones que realizan los microorganismos está el reciclaje de nutrientes, mantienen la fertilidad del suelo, contribuyen con el secuestro de carbono y afectan directa o indirectamente la salud de la vegetación y la fauna. 

Por ello, estudiamos el efecto del cambio de uso del suelo de bosque templado de alta montaña sobre el microbioma edáfico en la montaña La Malinche de la FVT. Usamos un enfoque metagenómico que consiste en secuenciar el DNA total del suelo, por lo que pudimos estudiar que está pasando con las bacterias, arqueas, eucariotes (hongos y protistas) y virus. Los resultados se refieren principalmente al efecto sobre la diversidad de especies, porque es un indicador que se relaciona con el funcionamiento de los ecosistemas, la resiliencia y los servicios ecosistémicos, en el entendido que una biota más diversa tiene más posibilidad de mantener sus funciones ante cambios ambientales.

En La Malinche estudiamos el cambio de uso de suelo de bosque a cultivo de maíz en dos ambientes: un bosque de pino encino y un bosque de pino. Lo primero que observamos en las gráficas del perfil de diversidad (Fig.1) en el eje de las ordenadas està el número de especies efectivas y en el eje de las abcisas el orden de diversidad o parámetro "q" modulamos la importancia que se le da las especies raras o las especies más abundantes conforme aumenta el valor. Lo que observamos en estos perfiles es que las comunidades de bacterias están dominadas por unas cuantas especies muy abundantes pues observamos una fuerte caída de las especies totales a las especies frecuentes y abundantes, mientras de que las comunidades de arqueas, eucariotes y virus son más equitativas, es decir, más especies tienen abundancias relativas más parecidas.

FIGURA 1. Perfil de diversidad de especies de bacterias, archaeas, eucariotes y virus de DNA del suelo de bosque y de cultivo del Parque Nacional La Malinche

Pero para ver más detalles sobre las diferencias entre los dos ambientes y el cambio de uso del suelo. En las gráficas de barras de la Figura 2A se muestran el número de especies efectivas en el eje y, y en gráficas separadas lo que sucede con la riqueza de especies o las especies totales, las especies frecuentes y las dominantes. En la gráfica de abajo vemos el cambio relativo del número de especies (Fig. 2B). Un valor positivo indica más especies en los cultivos y negativo indica pérdida de especies cuando ocurre el cambio de uso del suelo. Con las comunidades de bacterias vemos que cuando consideramos todas las especies bacterianas no hay cambios, el mismo número de bacterias se mantiene en los cultivos, pero cuando consideramos a las especies frecuentes y dominantes hay una disminución notable de especies en los cultivos y aún mayor cuando el bosque de pino-encino cambia a cultivo.

 

FIGURA 2. Diversidad de especies de Bacteria. A) Números de Hill del número de especies efectivas a los ordenes de diversidad q=0,1 y 2. B) Cambio relativo de especies por el cambio de uso del suelo de bosque a cultivo.

 

Con las arqueas no se observa esto, posiblemente porque se ha encontrado que los impulsores de la diversidad de las arqueas son muy distintos a los de bacterias (Fig. 3).

FIGURA 3. Diversidad de especies de Archaea. A) Números de Hill del número de especies efectivas a los ordenes de diversidad q=0,1 y 2. B) Cambio relativo de especies por el cambio de uso del suelo de bosque a cultivo.

 

Con los eucariotes observamos efectos distintos dependiendo del tipo de ambiente. La riqueza de especies se mantiene igual, pero la diversidad de especies frecuentes y dominantes aumenta en los cultivos provenientes de bosque de encino, mientras que disminuye cuando provienen de bosque pino-encino. Esto pueda deberse principalmente a los hongos que representan una buena proporción de los eucariotes en el suelo, y a que hay una relación muy estrecha entre los hongos simbióticos y plantas hospederas como lo vamos a ver en el estudio en el Nevado de Toluca.

FIGURA 4. Diversidad de especies de Eukarya. A) Números de Hill del número de especies efectivas a los ordenes de diversidad q=0,1 y 2. B) Cambio relativo de especies por el cambio de uso del suelo de bosque a cultivo.

Con los virus de DNA nos llevamos una sorpresa porque pensábamos que estarían estrechamente relacionados con las bacterias pues los virus de DNA son principalmente bacteriófagos, es decir, infectan bacterias. Al disminuir la diversidad de bacterias pensamos que también disminuirían los bacteriófagos, pero, al contrario, aumentaron. Entonces posiblemente estamos detectando virus de otros hospederos.

FIGURA 5. Diversidad de especies de Virus de DNA. A) Números de Hill del número de especies efectivas a los ordenes de diversidad q=0,1 y 2. B) Cambio relativo de especies por el cambio de uso del suelo de bosque a cultivo.

Un análisis de metagenoma también permite estudiar el potencial funcional, por lo que también determinamos la diversidad de funciones, es decir la diversidad de genes que codifican para funciones. Encontramos que hay una disminución en las funciones frecuentes y dominantes. y aunque no les muestro los resultados, pero hubo una correlación positiva entre la diversidad de bacterias y funcional, por lo que posiblemente la pérdida en la diversidad de bacterias está relacionada con la pérdida de diversidad funcional.

FIGURA 6. Diversidad funcional. A) Números de Hill del número de funciones efectivas a los ordenes de diversidad q=0,1 y 2. B) Cambio relativo de funciones por el cambio de uso del suelo de bosque a cultivo.

Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología

Ciencia Básica. Proyecto: 256096.  

“Resistencia y resiliencia de comunidades microbianas de suelos de diferentes ecosistemas ante diferentes perturbaciones”

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