Cepas de 'rhizobia' que presentan uno o varios de estos mecanismos han demostrado su capacidad para promover el crecimiento vegetal de hortícolas no leguminosas como el pimiento y el tomate

El empleo de inoculantes bacterianos mejora el rendimiento de los cultivos hortícolas

Raúl Rivas1,3; Encarna Velázquez1,3; Pedro F. Mateos González1,3; José M. Igual2,3; Eustoquio Martínez-Molina1,3; Álvaro Peix2,3

1Dep. de Microbiología y Genética de la Universidad de Salamanca

2Instituto de Recursos Naturales y Agrobiología (CSIC)

3Unidad Asociada Universidad de Salamanca-Irnasa CSIC Salamanca. Grupo de Excelencia de la Junta de Castilla y León

14/09/2012
Los 'rhizobia' son bacterias del suelo ampliamente conocidas por su capacidad para establecer simbiosis fijadoras de nitrógeno con las leguminosas. Sin embargo, estas bacterias también son capaces de promover el crecimiento vegetal de plantas no leguminosas a través de diversos mecanismos entre los que cabe citar la producción de hormonas vegetales como el ácido indol acético, la solubilización del fosfato presente en el suelo, movilizando fósforo a la planta, o la producción de compuestos que forman complejos con el hierro del suelo denominados sideróforos y que facilitan el control de patógenos.
Cepas de 'rhizobia' que presentan uno o varios de estos mecanismos han demostrado su capacidad para promover el crecimiento vegetal de hortícolas no leguminosas como el pimiento y el tomate. Sin embargo, es necesario profundizar en este campo ya que los 'rhizobia' no son capaces de fijar nitrógeno en vida libre y por lo tanto en el futuro será conveniente combinarlos con bacterias endofíticas aisladas a partir de nódulos de leguminosas o de raíces de no leguminosas que presenten esta capacidad, así como otros mecanismos de promoción del crecimiento vegetal, lo cual podrá mejorar el rendimiento de los bioinoculantes.
Los 'rhizobia' son un conjunto muy heterógeneo de bacterias del suelo que poseen la capacidad de establecer simbiosis fijadoras de nitrógeno con leguminosas, pudiendo así estas plantas crecer en suelos pobres sin aportación de fertilizantes químicos nitrogenados. Precisamente, la reducción de agroquímicos es uno de los objetivos de la agricultura sostenible que persigue una mayor seguridad en los productos agroalimentarios. La sustitución de fertilizantes químicos por fertilizantes biológicos es por lo tanto un desafío para mejorar la calidad de los cultivos reduciendo el aporte de compuestos potencialmente peligrosos para el medio ambiente y la salud humana.

Sin embargo, no todos los productos de origen biológico son igualmente seguros para la salud. Existen bacterias que presentan mecanismos eficaces de promoción de crecimiento vegetal y, sin embargo, son potencialmente patógenas para el hombre y animales Por lo tanto, es necesario buscar biofertilizantes que sean eficaces para la producción agrícola, pero también que sean seguros para la salud. Dentro de los biofertilizantes más atractivos por sus capacidades para promover el crecimiento de las plantas incrementando la calidad de las cosechas se encuentran las bacterias denominadas PGPR (del inglés Plant Growth Promoter Rhizobacteria) que, a través de diversos mecanismos, son capaces de estimular el crecimiento vegetal.

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Figura 1: Colonias de 'Rhizobium' creciendo sobre medio de cultivo YMA.
Los mecanismos más estudiados en este tipo de organismos son aquellos que inciden en los ciclos hormonales de las plantas, de los cuales uno de los principales indicadores es el ácido indol acético, o los que intervienen en la movilización de nutrientes a la planta desde el suelo o la atmósfera, como son la solubilización de fosfatos y la fijación de nitrógeno. Por otra parte, algunas bacterias tienen la capacidad de producir una serie de compuestos que captan el hierro del suelo formando complejos denominados sideróforos, disminuyendo así el crecimiento de microorganismos patógenos para las plantas que necesitan hierro libre para crecer. Finalmente, existen bacterias PGPR capaces de inducir resistencia sistémica en plantas a través de la ruta del ácido salicílico o el tándem etileno-ácido jasmónico, que confieren a la planta una protección eficaz y duradera frente a patógenos, actuando así como 'vacunas'.

De todos estos mecanismos, en los 'rhizobia', hasta hace muy pocos años, solo se valoraba la capacidad para fijar nitrógeno en simbiosis con leguminosas y por ello, fueron utilizados durante varias décadas como inoculantes, fundamentalmente, aunque no exclusivamente, para la soja. La gran experiencia acumulada durante décadas, ha demostrado que estas bacterias son inofensivas para las plantas, los animales y el hombre, por lo que resultan muy atractivas para su uso en biofertilización.

El empleo de biofertilizantes de aplicación segura a base de 'rhizobia' en leguminosas, condujo hace muy pocos años a estudiar su posible efecto beneficioso para otras plantas
El empleo de biofertilizantes de aplicación segura a base de 'rhizobia' en leguminosas, condujo hace muy pocos años a estudiar su posible efecto beneficioso para otras plantas, comenzándose por los cereales, compañeros ancestrales de las leguminosas en la rotación de cultivos, y que constituyen la base de la alimentación en todo el mundo. Los primeros estudios llevados a cabo en arroz, en los que participó nuestro grupo de investigación, demostraron que los 'rhizobia' eran capaces de promover su crecimiento y que estas bacterias presentaban mecanismos de promoción del crecimiento vegetal adicionales a la fijación de nitrógeno atmosférico en simbiosis con leguminosas.

Estos estudios fueron el inicio de la investigación del potencial de los rhizobia para promover el crecimiento de no leguminosas. Varios grupos de investigación en el mundo trabajamos actualmente en el estudio del efecto de los rhizobia en plantas no leguminosas, no sólo en cereales, como el arroz, la cebada, el maíz y el trigo, sino también en girasol, la colza, la lechuga o el rábano.

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Figura 2: Los halos anaranjados alrededor de las colonias muestran la producción de sideróforos por las cepas TPV08 (izquierda) y PETP01 (derecha).
Sin embargo, hasta ahora faltaban estudios de los efectos de la inoculación de 'rhizobia' sobre hortícolas de las cuáles se consumen los frutos. Por ello, nuestro grupo de investigación ha desarrollado un proyecto de investigación financiado por el antiguo Ministerio de Ciencia e Innovación cuyo objetivo ha sido evaluar el efecto de la inoculación de cepas de 'Rhizobium' (figura 1) en el desarrollo y en la calidad de dos hortícolas de gran valor añadido e interés para la exportación en España como son el pimiento y el tomate.

La producción de ambas plantas involucra dos tipos de empresas, los viveristas productores de plantones y los agricultores y cooperativas agrícolas productores de fruto. Debido a esto, el proyecto contemplaba la inoculación de las semillas de tomate y la evaluación del efecto en los plantones y la inoculación de las raíces de los plantones antes del transplante y la evaluación del efecto en la producción del fruto. Las cepas de 'Rhizobium' que se inocularon presentaban varios mecanismos de promoción del crecimiento vegetal, especialmente la producción de ácido indol acético y la producción de sideróforos (figura 2), lo que las convertía en candidatos muy adecuados para la biofertilización.

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Figura 3: Ensayo de crecimiento de plantones de pimiento y tomate sembrados al mismo tiempo e idénticas condiciones. Los plantones de la izquierda están sin inocular mientras que los plantones de la derecha están inoculados con cepas de 'Rhizobium'.
Los resultados obtenidos, que se han publicado recientemente en la revista internacional PloS One (PLOS ONE, 2012; 6 (5): e20223), han demostrado que la inoculación con cepas del género 'Rhizobium' produce un incremento en el tamaño y peso de los plantones de tomate y pimiento (figura 3), así como en el desarrollo, maduración, tamaño y peso del fruto fresco de ambas plantas (figuras 4 y 5). Concretamente la inoculación de las dos cepas seleccionadas (TPV08 y PETP01) ha resultado en un incremento superior al 100% de los plantones de pimiento y tomate y del 10 al 20% en el peso de ambos frutos. Asimismo, el número de frutos de pimiento se duplicó cuando se inocularon las plantas con la cepa TPV08. Estos resultados demuestran que los 'rhizobia' son fertilizantes muy adecuados para este tipo de plantas y junto con los resultados de otros estudios previos indican que una adecuada selección de cepas de rhizobia permitiría el diseño de biofertilizantes con una reducción de la fertilización química.
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Figura 4: Plantas de pimiento sembradas al mismo tiempo y en condiciones idénticas en las que se muestra la diferencia de tamaño en los frutos producidos. La planta de la izquierda está inoculada con la cepa TPV08 de 'Rhizobium' mientras que la de la derecha está sin inocular.
No obstante, para lograr este objetivo es necesario tener en cuenta que los rhizobia sólo son capaces de fijar nitrógeno en simbiosis con leguminosas y que para lograr un aporte de nitrógeno desde la atmósfera a las no leguminosas es necesaria su asociación con microorganismos fijadores de nitrógeno en vida libre. Por ello nuestro grupo de investigación está llevando a cabo en estos momentos varios proyectos destinados a seleccionar bacterias que viven en el interior de los tejidos vegetales, incluidos los nódulos radicales de las leguminosas, denominadas bacterias endófitas, que sean capaces de fijar nitrógeno en vida libre para asociarlos a los 'rhizobia', consiguiendo de esta manera biofertilizantes multifuncionales seguros y eficaces.
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Figura 5: Diferencia en el grado de maduración de tomates de dos plantas sembradas simultáneamente y en idénticas condiciones. Los frutos de la izquierda son de una planta no inoculada, mientras que los frutos de la derecha son de una planta inoculada con la cepa PETP01.
Concretamente, nuestro grupo de investigación, está desarrollando varios proyectos financiados por la Junta de Castilla y León y por el Mineco dirigidos a seleccionar cepas de 'rhizobia' y de otros endofitos adecuadas para la biofertilización de no leguminosas hortícolas, como es el caso de la fresa, la zanahoria, la lechuga, el maíz y la patata, de leguminosas como el guisante y la alfalfa y de cereales como el maíz y el arroz.

Aunque estos proyectos están en las primeras fases de desarrollo, los resultados obtenidos son muy alentadores ya que los resultados preliminares indican un efecto positivo de la inoculación con cepas de rhizobia y endofitos aislados de nódulos de diferentes leguminosas y de raíces de no leguminosas.

Agradecimientos

Los estudios en maíz han sido financiados por el proyecto AGL2003-05227 del MCYT y el proyecto GR49 de la Junta de Castilla y León concedido como Grupo de Excelencia. Los estudios en maíz actualmente están financiados por el proyecto AGL2010-17380 del MICINN. Los estudios en tomate y pimiento han sido financiados por los proyectos AGL2006-07570/AGR del MEC y AGL2007-63854/AGR del MICINN. Los estudios en arroz han sido financiados por el proyecto AGL2005-07796 y AGL2008-03360. Los estudios en fresa y zanahoria por el proyecto SA183A11 de la Junta de Castilla y León, los estudios en lechuga por el proyecto del MINECO AGL2011-29227 y los estudios en patata por el proyecto CSI327A12-2 de la Junta de Castilla y León. Los estudios de rhizobia y endófitos en leguminosas cómo el guisante y la alfalfa están financiados por los proyectos AGL2010-17380 CSI02A09 y SA306A11-2.

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