Discovering the Unknown World of Crop Plant Biodiversity

Aug. 13, 2017

students collecting insectsFigure 1. The Clubes de Ciencia "Insects and Food" class collecting insects and crop plant leaves in a local corn and squash field.

Written by: Lori R. Shapiro

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Few of us harvest our own crops, milk our own cows, or ferment our own beverages. Our foods and drinks arrive at stores or farmers markets in an array of colorful shapes and sizes already neatly packaged, or served to us beautifully and fragrantly prepared at a restaurant. But, where did these fruits, vegetables, cheeses, and beverages come from?

The proximate answer is that the food came from “Wherever I bought it.”

xenoglossaFigure 2. Students collected insects from crop plants to look at local diversity, like this native specialist squash bee (Xenoglossa spp.) in a squash flower.

The more philosophical answer might start with “...In a land far, far away, there was once a plant. The plant was covered with microbes. Some of these microbes were endophytes (internal microbes), many of which help with plant defenses against pathogens or herbivores, and a root surface (rhizosphere) microbiome that functions in defense or nutrient acquisition. The plant co-evolved with these microbes, as well as with insects - producing sweetly scented flowers to attract pollinators, and evolving a pharmacopeia of defensive chemicals to keep from being eaten by hordes of hungry herbivores. And so the plant, microbe, and insect community co-evolved in a particular geographic place, for millions of years. Eventually, a hungry human wandered by, perhaps attracted by the same sweetly scented, colorful flower that attracts pollinators. The hungry human perhaps ate the flower; perhaps ate the leaf; perhaps saw the flower and waited for the resulting fruit to ripen; perhaps waited too long until bacteria on the fruit began to ferment it and produce alcohol. If they liked the plant, hungry humans would have then returned to the same plant populations for thousands of years, picking those that smelled the best, tasted the best, sated their hunger, and maintained their health. Hungry humans, having large brains, would have learned to propagate the seeds of the plants they liked best. Eventually, this would have produced a domesticated plant – one that could be planted and harvested dependably, so that the hungry humans could stay in one place with a steady food supply and therefore build a village instead of wandering over vast distances to hunt and gather.

class in the fieldFigure 3. The Clubes de Ciencia "Insects and Food" class in the milpa.

But, how did a select few of those plants move from very localized villages within a small geographic area to global production and ubiquitous presence in our stores and menus? And, what happened to those endemic, plant associated microbial and insect communities when plants were transported worldwide by humans? To explore these questions, the Global Crop Mutualist Alliance, which I am helping coordinate, is collecting leaf and root samples from crop plants all over the world. Specifically, we are looking to collect samples from crop plants growing in the geographic region where these plants are native, and to collect from the same crop plant species in the regions where they have been introduced. This will allow us to test how recent global crop plant movement for agriculture may have altered beneficial plant associated microbial and insect communities, and whether any beneficial microbial mutualists may have been left behind in the region where the plant is native.

Microbes-seen-in-the-pulqueFigure 4. In the lab, the class looked at a drop of pulque under a microscope to find the unseen microbes that produce this favorite fermented beverage. Photo By: Ana Fernanda Rosiles

One goal of The Global Crop Mutualist project is to leverage individuals (especially students) as citizen scientists, and in doing so, have students collect samples that will be part of this larger collaborative project. In conjunction with the Global Crop Mutualist Project, Rob Dunn’s lab at North Carolina State University is launching a series of farm-to-table citizen science projects to engage students as citizen scientist collaborators in this endeavor. One component of this project is an annual intensive short course I teach through Clubes de Ciencia in Guanajuato, Mexico called “Insects and Food: How Coevolution Shapes our Cuisine.” Guanajuato, where this course takes place, is very close to the geographic region of origin for several species of cultivated pumpkins (Cucurbita pepo and Cucurbita ficifolia). While this course broadly explores mechanisms and consequences of plant/insect/microbe coevolution over many millions of years, and how human selection for agricultural traits within the last 10,000 years alters these ecological interactions, the proximity of wild progenitor pumpkin populations make pumpkins a highly relevant focus.

chili-pepper-microbesFigure 5: A microbial print of microbes associated with a chili pepper, made by collecting a pepper from the field into a sterile bag and then pressing it onto agar media.This microbial print was generated by a student.

The course starts by using anthropological studies to reconstruct how early human hunter-gatherers in this region of Central Mexico would have likely interacted with the native endemic plants, and the invisible microbial communities that colonize these plants. For thousands of years, these interactions (and therefore human survival) depended on interactions with plants (and the naturally occurring plant microbiome) in the immediate geographic vicinity. Perhaps the most important component to human survival is a dependable source of clean water. Across the world, different cultures used different fermented beverages - wine, beer, sake, kombucha - as a source of clean water before the existence of centralized water purification systems. In this arid region, what did humans drink - especially in the dry season, before the convenience of bottled water, Powerade, and Coca-Cola? Taking a walk through the landscape right outside the classroom door, we almost immediately encounter the maguey plant. In these arid central highlands, where early agriculture in Mexico was perhaps the most advanced in the world, the maguey (Agave spp.)— now best known and celebrated worldwide as the source of tequila and mezcal — was a plant that provided a steady source of clean water filled with plant protein and other nutrients. Aguamiel, or “honey water,” is the sap of maguey plants, and an individual maguey plant can provide up to 1,000 liters of water over 3–4 months. If not all of the sweet sap is harvested at one time, it collects in the crown of the plant, where naturally occurring leaf lactic acid bacteria ferment the sap, producing a beverage called pulque. Like the more celebrated beers and wines from the Middle East and Mediterranean, slightly alcoholic pulque has been a delicious, nutritious, clean, dependable source of water and nutrients for local inhabitants for thousands of years.

microbial-leaf-printsFigure 6. Students compared the epiphytic leaf microbial diversity by pressing field collected leaves from healthy or infected plants (collected into sterile bags) onto sterile media.

The class also takes a field trip to a milpa, a traditional agricultural field where multiple crops (often corn, pumpkin, beans, and chiles among others) are co-cultivated. In these polycultural systems, rhizobia in bean root nodules fix nitrogen, squash provide ground cover and water retention, and maize provides a trellis. Students collect insects and microbes from these different crop plants to help understand the extent to which beneficial insect and microbial plant mutualists—plant endophytes (microbes that live within a leaf), epiphytes (microbes that live on the surface of a leaf) and rhizosphere microbes (those that live in the soil)—are unique or shared between these milpa plants. Students photograph insects occurring in squash flowers to add to the Great Pumpkin Project iNaturalist page, and collect leaves in sterile bags to bring back to the lab, and plate out what the local epiphytic leaf microbes are. By determining the microbial and insect diversity in the region of crop origin, we can  identify changes in the crop plant-associated microbial diversity in other regions of the world where these plants have been introduced.

microbial-squash-leaf-print-8-13-17Figure 7. Student generated print of a healthy squash leaf.

Humans have carried crops domesticated in Mexico (especially milpa crops) around the world, and they are now grown in diverse geographic areas far from their center of origin in Central Mexico. Corn alone is one of the three most important world grains. But as these milpa crops have been transplanted around the world, did we inadvertently leave anything behind? Which rhizosphere microbial mutualists are still dwelling in the region of origin soil? Which locally endemic leaf or stem endophytes are providing defense against pathogens and herbivores, but only in the geographic region of origin? Which beneficial insects, such as natural enemies and pollinators, are only found in the area where the crop plant is native? How did the beneficial microbial communities of milpa crops change now that they are grown in monocultures and not traditional polycultures? To answer these questions will take many years, many discussions over fermented beverages, and many dedicated collaborators. Our next step in the Global Crop Mutualist Alliance is in Hanoi, Vietnam Sept 2-9 for the CIAT Biocontrol course. Stay tuned for more updates, and eventually, results!

We want your help! Are you interested in contributing your crop plant associated microbes or insects to this project? Write to me for instructions on how to participate, including seeds to start your own home garden

All images, unless noted otherwise, taken by: Lori Shapiro.

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Lori with squash


Lori R. Shapiro is a post doctoral researcher co-advised in Rob Dunn's laboratory at North Carolina State University and Roberto Kolter's laboratory at Harvard Medical School. Her research focuses on understanding the role of human mediated ecological changes in the emergence and host associations of the plant pathogen Erwinia tracheiphila




En Español. Traducido por Fernanda Rosiles

1 students collecting insectsFotografía 1: Estudiantes colectando insectos y hojas en cultivos de calabaza y maíz.

Unos pocos cosechamos nuestros propios cultivos, ordeñamos nuestras propias vacas o fermentamos nuestras propias bebidas. Nuestras comidas y bebidas llegan a las tiendas o a los mercados en una infinidad de colores, formas y tamaños, pero ya empacados y listos para llevar o los vemos en nuestras visitas a los restaurantes, cuando ya están deliciosamente preparados. Pero ¿De dónde vienen todas esas frutas, vegetales, quesos y bebidas?

La respuesta más sencilla es que la comida viene de donde quiera que la compremos, pero la respuesta más filosófica debería empezar con “En una tierra lejana, lejos muy lejos, había una vez una planta…”. Esta planta co-evolucionó por millones de años con microorganismos, endófitos (microorganismos internos), muchos de los cuales ayudan a defender a la planta de herbívoros patógenos y ayuda al microbioma de la zona de la raíz (rizósfera) a adquirir funciones de defensa o nutrición. Además, las plantas también lograron co-evolucionar con los insectos, lo sabemos porque las plantas producen flores con esencias dulces para atraer polinizadores y a la vez producen químicos de defensa para alejar a las hordas de herbívoros hambrientos y así prevenir ser devorada. Pero no sólo existen las relaciones insecto-planta o planta-microorganismos, sino que es un conjunto de microorganismos-insectos-planta que se ha desarrollado ya por miles de años.

6xenoglossaFotografía 2: Una especialista abeja (Xenoglossa spp.) en una flor calabaza de calabaza

Eventualmente, cuando los humanos nómadas hambrientos rondaban por el planeta, también éramos atraídos a las plantas por sus aromas dulces, mismos que pueden atraer polinizadores. Quizás los humanos comían las flores, quizás comían las hojas o quizás se quedaban a esperar y ver madurar el fruto que surgía de las flores, quizás esperaban demasiado hasta que las bacterias en la fruta la fermentaran hasta producir alcohol. Si a los humanos les gustaba la planta volvían a la planta por miles de años, por lo que los humanos tenemos poblaciones de plantas favoritas desde hace miles de años, siempre escogemos las que huelen más rico, las que saben mejor, saciando así su hambre y manteniendo la salud.

2class inthefieldFotografía 3: La clase en el viaje de campo.

Aprendieron a propagar las semillas de las plantas que eran las favoritas, con lo que en un lapso surgieron las plantas domesticadas que eran aquellas que podían ser plantadas y cortadas con toda confianza así que el hambre de los humanos se quedaba en un solo lugar, justo donde había comida estable, así que ellos construyeron villas y pequeños pueblos donde podían tener sus plantas y así no debían caminar grandes distancias para recolectar o cazar.

Pero ¿Cómo seleccionaron unas de las plantas favoritas para ser llevadas a las villas, que tenían una localización geográfica muy diferente a la de las plantas originales en que estaban envueltas las relaciones de microorganismo-insecto-planta de hace millones de años, a la gran producción global y la presencia ubicua en nuestras tiendas y menús? Para explorar estas preguntas, la Alianza Mutualista Global de Cultivos o Global Crop Mutualist Alliance en inglés, el cual ayudo a coordinar, está colectando muestras de hojas y raíces de varios cultivos alrededor del mundo. Específicamente, se están colectando muestras de los cultivos de plantas que se han criado en las zonas geográficas en que estas plantas son nativas y para colectar especies que se han introducido en la misma zona geográfica.

IMG 20170804 144048Fotografía 4: Microorganismos presentes en la bebida pulque

Una de las metas del proyecto de la Alianza Mutualista Global de Cultivos es atraer individuos en especial estudiantes como científicos ciudadanos y con esto poder tener estudiantes que colecten muestras para seguir avanzando con el proyecto. En conjunto con el Proyecto Mutualista de Cultivos Globales o Global Crop Mutualist Project, el laboratorio de Rob Dunn en la Universidad Estatal de North Carolina o North Carolina State University está lanzando series de proyectos para científicos ciudadanos explicando cómo llegan los alimentos del campo a nuestra mesa, tal es el caso de farm-to-table citizen science projects cuyo objetivo es atraer estudiantes para que sean colaboradores en este esfuerzo. Un componente de este proyecto es un curso anual intensivo de una semana que yo imparto para Clubes de Ciencia México en Guanajuato, llamado “Insects and Food: How Coevolution Shapes our Cuisine”, Guanajuato está muy cerca de la zona geográfica en que se originó el cultivo de varias especies de calabaza (Cucurbita pepo y Cucurbita ficifolia). En este curso se exploran mecanismos y consecuencias de la co-evolución de microorganismo-insecto-planta de hace miles de años y como la selección de los humanos para realizar agricultura con estas plantas provienen de hace 10,00 años al menos, la cercanía de los progenitores salvajes de la calabaza la hacen una planta muy relevante para su estudio.

chile printFotografía 5: Marca de microorganismos asociados con el chile.

Esto nos debe permitir probar como el reciente movimiento de las plantas por la agricultura ha alterado beneficiosamente a las plantas en cuanto a su relación con la comunidad de microorganismos e insectos y como las relaciones que tenía la planta en su lugar nativo fueron dejadas atrás sin importar que fueran relaciones benéficas.

En el curso comenzamos usando estudios antropológicos para reconstruir la historia de cómo los primeros humanos recolectores en el centro de México interactuaban con las plantas que son nativas o endémicas y como los microorganismos invisibles colonizaron estas plantas. Por cientos de años estas interacciones (y con ello la supervivencia humana) dependen de la interacción de las plantas (y el microbioma en ellas) con el entorno geográfico. Quizás el componente más importante para la supervivencia humana depende de poseer una fuente de agua limpia. Alrededor del mundo, las diferentes culturas usaron las bebidas fermentadas- vino, sake, cerveza, zombacha – como una fuente de agua limpia antes de la existencia de los sistemas de los sistemas purificadores de agua. En las regiones áridas, ¿Qué tomaban los humanos, en especial en la época de sequía antes de la existencia del agua embotellada, Powerade y Coca-Cola? Dando una caminata por fuera del salón de clases nosotros podemos encontrar muchas plantas de maguey. En estas regiones áridas de américa central, encontramos agricultura temprana en México, la más avanzada en el mundo, con el maguey (Agave spp.), que ahora en el mundo es muy conocida por la producción de tequila y mezcal (conocido como destilado de pulque); el maguey provee un líquido alto en contenido de proteínas y otros nutrientes conocido como Aguamiel. El Aguamiel es la savia de la planta, una sola planta de maguey puede producir 1,000 litros de agua en 3-4 meses. Si todo el aguamiel no es tomado y colectado a tiempo se comienza a concentrar en la cima de la planta, en donde naturalmente ocurre la fermentación con ácido láctico (producido por las bacterias) de la savia, produciendo una bebida llamada pulque. Como las más conocidas cervezas y vinos del Medio Este y el Mediterráneo, el delicioso pulque es muy nutritivo, limpio y es fuente de agua y nutrimentos para los habitantes locales por cientos de años.

La clase y yo fuimos a un viaje de campo a una milpa, que es un cultivo poli cultural tradicional en que se combinan varias plantas en un mismo espacio a la vez (usualmente maíz, calabaza, frijol y chiles entre otros). En estos sistemas poli culturales, la rizósfera del frijol aporta las bacterias que fijan nitrógeno al suelo, la calabaza provee de un recubrimiento a la tierra para la retención del agua y el maíz provee una malla con sus raíces por la tierra.

4leaf print2Fotografía 6: Marca de microorganismos asociados con hojas de calabaza, bacterias y hongos.

Los estudiantes colectaron insectos y microbios de estas plantas mutualistas, los microorganismos endófitos que viven dentro de las hojas, los epifitos que viven sobre la hoja y los microorganismos de la rizósfera o los que viven en el suelo donde está creciendo la planta, todos ellos son únicos porque se comparten entre todas las plantas que están dentro de la milpa.

Los estudiantes también le tomaron fotos a los insectos que visitaban las flores de la planta de calabaza para añadirlas a la cuenta en iNaturalist en el proyecto “The Great Pumpkin Project” y se colectaron hojas en bolsas estériles para llevarlas al laboratorio y colocarlas en placas Petri con medio de cultivo especial para bacterias y para hongos que fueran epifitos. Determinando los microorganismos presentes, así como los insectos se puede saber la diversidad de una región del origen de un cultivo, podemos identificar los cambios en el cultivo a lo largo del mundo en donde fueron introducidas las plantas y que ahora son un alimento principal, lo que nos ayuda a entender que inadvertidamente dejamos atrás algunos de nuestros cultivos mutualistas más importantes.

5leaf printFigure 7. Marca de microorganismos presentes en una hoja sana de calabaza

Los humanos acarrearon los cultivos domesticados de México (en especial la milpa) al resto del mundo y ahora se desarrollan en diversas áreas geográficas lejos de su origen en la zona central de México. El maíz es uno de los tres granos más importantes en el mundo. Pero, así como estos cultivos en milpa han sido llevados a todo el mundo ¿Hemos dejado inadvertidamente algo atrás? ¿Cuáles microbios mutualistas siguen habitando la región original? ¿Cuáles son endófitos endémicos de la hoja o el tallo proveen defensa contra herbívoros, pero solamente en la región de origen? ¿Cuáles insectos benéficos, como enemigos naturales y polinizadores, son solo encontrados en la región original de la planta nativa? ¿Cómo los microorganismos benéficos cambian en una milpa si se cambia de un cultivo tradicional a un monocultivo? Para responder estas preguntas nos tomaría unos cuantos años, muchas pláticas sobre bebidas fermentadas y muchos colaboradores dedicados.

Nuestro próximo paso en la Alianza Mutualista Global de Cultivos es colectar mundialmente en Hanoi, Vietnam del 2 al 9 de septiembre para CIAT curso de Bio control. Sigue conectado para nuevas noticias y eventualmente resultados.

¡Necesitamos de tu ayuda! Si estás interesado en contribuir en nuestra investigación: “microorganismos-insectos-plantas” escríbeme por favor y recibirás instrucciones de cómo puedes participar, incluyendo tus propias semillas para que puedas iniciar tu huerta casera.