Aplicaciones potenciales de Gluconacetobacter diazotrophicus para incrementar los rendimientos agrícolas

América Paulina Rivera-Urbalejo^1,2 iD, Dalia Juárez- Hernández¹, Ana Laura Hernández-Tenorio¹, Yolanda Elizabeth Morales-García*^1,3 iD

¹Grupo Supervivencia y Ecología de Microorganismos (GESM), Centro de Investigaciones en Ciencias Microbiológicas (CICM), Instituto de Ciencias (IC), Benemérita Universidad Autónoma de Puebla (BUAP), Edificio IC-11, Ciudad Universitaria, San Manuel, Puebla, México. C. P. 72570. ²Facultad de Estomatología, Benemérita Universidad Autónima de Puebla, Puebla, México. ³Facultad de Ciencias Biológicas, Benemérita Universidad Autónoma de Puebla, Puebla, México. *lissiamor@yahoo.com.mx

http://doi.org/10.5281/zenodo.5090696

Bajar cita (RIS): Rivera-Urbalejo y cols., 2019 AyTBUAP 4(13): 32-44

Editado por: Jesús Muñoz-Rojas (Instituto de Ciencias, Benemérita Universidad Autónoma de Puebla)

Fecha de Publicación: 31 de marzo de 2019

EOI: https://eoi.citefactor.org/10.11235/BUAP.04.13.03

URI: https://hdl.handle.net/20.500.12371/9263

Referencia: Rivera-Urbalejo AP, Juárez-Hernández D, Hernández-Tenorio AL, Morales-García YE. Aplicaciones potenciales de Gluconacetobacter diazotrophicus para incrementar los rendimientos agrícolas. Alianzas y Tendencias BUAP [Internet]. 2019;4(13):32–44. Available from: https://www.aytbuap.mx/publicaciones#h.q150unlk56f

RESUMEN

Gluconacetobacter diazotrophicus es una bacteria Gram-negativa que normalmente es endófita de plantas como la caña de azúcar, la pina, camote, pastos, entre otras. Sin embargo, también es posible detectarla en ambientes rizosféricos ricos en materia orgánica como el cafeto. Las cepas de G. diazotrophicus se caracterizan por tener la capacidad de fijar nitrógeno bajo condiciones donde la concentración de azúcar es elevada y el pH es muy bajo, por lo que se propuso como la bacteria clave que transfiere nitrógeno a la caña de azúcar. Adicionalmente, esta bacteria es capaz de estimular el crecimiento de plantas mediante mecanismos independientes a la fijación biológica de nitrógeno, por ejemplo mediante la producción de fitohormonas como el ácido indol acético. Otra propiedad interesante de G. diazotrophicus es que produce compuestos de tipo antimicrobiano que afectan al crecimiento de hongos fitopatógenos, por lo que se ha propuesto que esta bacteria podría hacer un biocontrol efectivo. Los estudios de interacción bacteria-planta muestran que el nitrógeno combinado afecta a la asociación de esta bacteria con las plantas, por lo que esta información debe considerarse si se requieren explotar sus beneficios. Ya han transcurrido 20 años desde su aislamiento y algunas patentes han sido publicadas con el objetivo de explotar sus atributos, no obstante aún no hay productos comerciales visibles en el mercado que contengan a este microorganismo.

Palabras clave: Gluconacetobacter diazotrophicus; endófito; PGPR; fitoestimulación.

ABSTRACT

Gluconacetobacter diazotrophicus is a Gram- negative endophytic bacterium isolated from plants such as sugar cañe, pineapple, sweet potato, grasses, among others. However, it is also possible ¡solate this bacterium from rhizospheric environments rich in organic matter such as coffee plants. Strains of G. diazotrophicus have the capability to fix nitrogen under conditions where the concentration of sugar is high and the pH is very low, so it was proposed as the key bacterium that transfers nitrogen to sugarcane. Additionally, this bacterium is able of stimulate the plant growth by mechanisms independent of biological nitrogen fixation, for example by the production of phytohormones such as Indole acetic acid. Another interesting property of G. diazotrophicus is that it produces antimicrobial compounds that affect the growth of phytopathogenic fungi, therefore it has been proposed that this bacterium could make an effective biocontrol. The bacteria-plant interaction studies show that combined nitrogen affects the association of this bacteria with plants, so this information must be considered if its benefits are to be exploited. It has already been 20 years since its isolation and some patents have been published with the aim of exploiting its attributes, however there are still no commercial products visible in the market that contain this microorganism.

Keywords: Gluconacetobacter diazotrophicus; endophyte; PGPR; phytostimulation.

INTRODUCCIÓN

Desde la emergencia de la revolución verde, se han usado cantidades elevadas de nitrógeno combinado en los campos de cultivo con el fin de incrementar los rendimientos, no obstante esta forma de fertilización ha tenido un impacto negativo en el medio ambiente, especialmente aumentando los niveles de lixiviación, eutrofización, incremento en los niveles de óxidos de nitrógeno (NOx) y efectos sobre la capa de ozono en la estratosfera [1]. Para aliviar el daño será necesario modificar las prácticas agrícolas por alternativas más amigables con el medio ambiente sin disminuir los rendimientos de los cultivos [2]. Las bacterias benéficas podrían ser una alternativa excelente, debido a los múltiples mecanismos que ellas pueden proveer a sus plantas hospederas [3], por ejemplo, aporte de nitrógeno vía FBN, producción de fitohormonas, solubilización de fosfatos, solubilización de zinc, biocontrol y estimulación de la defensa en plantas [3, 4]. Los estudios de estas bacterias han permitido conocer a cuales podríamos usar en formulaciones para la inoculación de semillas o plantas, a esas formulaciones se les denomina "inoculantes" y se subclasifican en fundón del tipo de beneficio que aportan sobre las plantas; entre los que destacamos a los biofertilizantes, biocontroladores, biosolubilizantes, biodegradantes y los fitoestimulantes [5]. En general las bacterias que están siendo usadas para promover el crecimiento de plantas son de tipo rizosférico, por su forma fácil de colonización en la raíz a partir de la semilla inoculada, por ejemplo una bacteria ampliamente utilizada para las formulaciones comerciales es Azospirillum brasilense [3]. Las bacterias endófitas promotoras del crecimiento de plantas también podrían explotarse aunque su forma de inoculación podría variar para que las bacterias colonicen el interior de las plantas. Una bacteria endófita con potencial uso comercial es Gluconacetobacter diazotrophicus [6].

Fuentes de aislamiento de G. diazotrophicus.

Gluconacetobacter diazotrophicus es una bacteria que inicialmente fue aislada del interior de tejidos de caña de azúcar (Saccharum offícinarum) [7] y a lo largo de los años se ha encontrado asociada como endófita a diversas plantas como por ejemplo el camote (Ipomoea batatas) [8], el Ragi [9], arroz de humedal (Oryza sativa) [10], pasto (P. purpureum var. Camerún) [11], papaya (Carica papaya) [12], zanahoria (Daucus carota L.), rábano (Raphanus sativus L.), betabel (Beta vulgarís L.) [13], la piña (Ananas comosus) [14] y del interior y rizósfera de cafeto [15]. Son muy diferentes las características fisiológicas de las plantas con las que se asocia G. diazotrophicus, sin embargo muchas se caracterizan por acumular azúcar en su interior. En caña de azúcar se ha observado que algunos factores afectan fuertemente en el establecimiento de esta bacteria, entre los que se pueden destacar que la edad de la planta influye negativamente en la población de G. diazotrophicus [16]. Los cambios fisiológicos que las plantas de caña de azúcar experimentan a lo largo de su desarrollo son diversos como por ejemplo cambios en las relaciones de agua en los tejidos [17] y la acumulación de sacarosa también ocurre durante el crecimiento [18, 19], pero aún se desconoce cuáles cambios son los que determinan la disminución de la población de G. diazotrophicus. Interesantemente, G. diazotrophicus ha sido aislado a partir de tallos de caña de azúcar de plantas adultas [20], lo que sugiere las poblaciones son recuperadas en periodos avanzados de la interacción. La diversidad de cepas de G. diazotrophicus que han sido aisladas de la caña de azúcar es limitada [21], pocos son los genotipos que interaccionan con la caña de azúcar, no obstante, el genotipo de bacteria que interacciona con las plantas es determinante para que la interacción sea exitosa y las cepas del genotipo 3 son las que mejor interaccionan con la caña de azúcar [16].

La variedad de caña de azúcar también influye fuertemente en la interacción y algunas variedades como la MEX 57-473 son mejores para interaccionar con G. diazotrophicus ya que permiten un mejor establecimiento de la bacteria y por periodos más prolongados [16]. Se ha reportado que algunas variedades de caña de azúcar muestran una mayor capacidad de nitrógeno [22], posiblemente porque estas variedades interaccionan mejor con las bacterias fijadoras de nitrógeno.

Por otro lado, el nivel de nitrógeno combinado aplicado a los cultivos influye negativamente en la interacción de esta bacteria con la caña de azúcar [16, 23, 20]. De hecho la frecuencia de aislamiento de G. diazotrophicus disminuye si los cultivos de caña de azúcar son fertilizados con dosis elevadas de nitrógeno combinado [23, 24]. Más recientemente, se observó que la disminución de la población de esta bacteria en presencia de nitrógeno combinado está relacionado con los cambios fisiológicos que sufre la planta y la alta fertilización provoca una disminución mayor de la bacteria cuando está asociada a plantas [25], sin embargo, algunos cambios pleomórficos sobre la bacteria han sido documentados en presencia de altos niveles de fertilización lo cual podría ser responsable también de la disminución de la población de esta bacteria cuando se asocia a las plantas [10, 26]. Es conocido que algunos cambios en la concentración de sacarosa y actividades enzimáticas ocurren en los tejidos de la caña de azúcar en dependencia de la forma de nitrógeno combinado aplicado a las plantas [18, 19], será interesante conocer cuáles son los determinantes que desencadenen efectos negativos en la población de G. diazotrophicus. La influencia negativa del nitrógeno combinado sobre la población de otras bacterias endófitas ha sido también mostrada [27]. Sin embargo, las poblaciones de algunas bacterias como Herbaspiríllum seropedicae [26] y Pseudomonas fluorescens [28] no son afectadas en asociación con plantas cuando estás se fertilizan con dosis elevadas de nitrógeno combinado, lo que sugiere que los cambios fisiológicos solo afectan a algunas especies bacterianas.

Mecanismos de G. diazotrophicus para promover el crecimiento de plantas

Fijación biológica de nitrógeno. Esta bacteria fue inicialmente aislada en medios semigelificados carentes de nitrógeno con el fin de capturar a la bacteria responsable de llevar a cabo la fijación de nitrógeno en plantas de caña de azúcar [7]. Aunque la bacteria es capaz de fijar altas tasas de nitrógeno bajo condiciones in vitro [29], el aporte de nitrógeno a las plantas de caña de azúcar es muy bajo, por lo que la fijación de nitrógeno no es el mecanismo de promoción de crecimiento principal de esta bacteria [30].

Fitoestimulación por hormonas. Este es el mecanismo principal de estimulación de crecimiento de G. diazotrophicus en caña de azúcar [16]. Hay varias fitohormonas que son producidas por estas bacterias y que regulan el crecimiento de plantas, por ejemplo: las giberelinas [31] y las auxinas como el ácido indol acético (AIA) [24]. Una mutante derivada de la cepa PAI 5 de G. diazotrophicus denominada Mad10 resultó incapaz de sintetizar AIA [32]. La mutante colonizó a las plantas de forma similar a la cepa silvestre, sin embrago, fue incapaz de estimular el crecimiento de estas en comparación a la cepa silvestre o una mutante nif- (cepa que no fija nitrógeno); sugiriendo que el AIA es el mecanismo principal de promoción de crecimiento para esta bacteria. Las plantas inoculadas con G. diazotrophicus muestran mayor tamaño de raíz comparado con las plantas control, en consecuencia estas plantas tienen un área incrementada para la absorción de nutrientes [16].

Solubilización de fosfatos. El fósforo es un nutriente esencial para el crecimiento de las plantas y en suelos este está comúnmente en una forma mineral [1]. Uno de los mecanismos de promoción de crecimiento bastante promisorios para G. diazotrophicus es su capacidad para solubilizar fosfatos. Los ensayos cualitativos usando fosfato tricalcico como única fuente de fósforo han mostrado que esta bacteria solubiliza fosfatos solo cuando las aldosas fueron adicionadas como fuente de carbono [33]. La oxidación extracelular de aldosas mediante la vía de una pirroloquinolin quinona unida a glucosa deshidrogenada (PQQ- GDH) es la vía metabólica principal de la glucosa para G. diazotrophicus. En una mutante PQQ-GDH de esta bacteria no fue posible observar la solubilización de fosfatos y tampoco la acidificación del medio de cultivo; sugiriendo la participación de los ácidos orgánicos en la solubilización. Usando una librería de mutantes obtenida mediante transposones se seleccionaron mutantes defectivas en la solubilización de fosfatos, la secuanciación de los genes implicados muestro que la producción de ácido glucónico es fundamental para la solubilización de los fosfatos [34].

Solubilización de zinc. El zinc es un elemento que se requiere en bajas cantidades, sin embargo es de gran relevancia para el funcionamiento de las plantas [35], sin embargo este elemento tampoco está en forma biodisponible en los suelos. El potencial solubilizador de zinc ha sido evaluado para G. diazotrophicus usando glucosa y sacarosa como fuentes de carbono [36]. La capacidad de solubilizar zinc es variable en fundón de la cepa explorada y la cepa PAI 5 solubilizó eficientemente los compuestos de zinc ensayados siendo el ZnO mejor solubilizado en comparación con ZnCO₃ ó Zn(PO₄)₂. La solubilización de zinc tambiés está influenciada por los ácidos orgánicos y el ácido glucónico es clave para dicha función [34].

Control Biológico. G. diazotrophicus ha sido explorado en su capacidad para inhibir patógenos de plantas por ejemplo, esta bacteria inhibe el crecimiento de Colletotríchum falcatum, un Moho causal de la podredumbre roja de la caña de azúcar [37]. También inhibe el crecimiento de Xanthomonas albilineans, una bacteria que produce escaldamiento de las hojas debido a un daño vascular y aparentemente esta inhibición ocurre a través de una molécula de tipo bacteriocina [38]. Aunque estos trabajos han sido desarrollados en condiciones de laboratorio, se sugiere que la inhibición de patógenos podría ocurrir en asociación con plantas. De hecho se ha demostrado que G. diazotrophicus es capaz de inhibir el crecimiento de Fusarium oxysporum cuando se asocia al camote [39]. F. oxysporun afecta el crecimiento de diversas plantas por lo que su biocontrol por esta bacteria es de gran relevancia. Los compuestos implicados en el biocontrol de F. oxysporum por G. diazotrophicus son la pioluterina y algunos compuestos de tipo volátil [39]. Recientemente una formulación que contiene una mezcla de tres bacterias entre las que destaca G. diazotrophicus fue diseñada para eliminar hongos durante el desarrollo de plántulas de papa [40]. La competitividad de las cepas bacterianas está ligada a la producción de sustancias inhibitorias y las cepas del genotipo 3 de G. diazotrophicus producen una sustancia similar a las bacteriocinas que les permiten predominar en sus ambientes [41]; inhibiendo el crecimiento de otros genotipos de la misma bacteria, será interesante evaluar en el futuro si esta característica está ligada a la inhibición de patógenos. Interesantemente se ha descrito que algunos patógenos como Xanthomonas albilineans también pueden ser suprimidos tras la inducción de la respuesta de defensa de las plantas por G. diazotrophicus [42], de esta forma una alternativa para el control de patógenos podría ser el uso de esta bacteria como protector anticipado en las plantas.

Formulación de inoculantes con G. diazotrophicus

Los esfuerzos para conocer más acerca de las potencialidades de esta bacteria benéfica siguen realizándose y es importante destacar que ya se cuenta con genomas completos secuenciados y anotados [43, 44], así como también estudios globales realizados mediante proteómica para conocer a las proteínas que se expresan durante la interacción de G. diazotrophicus con la caña de azúcar [45]. El conocimiento generado será a base para el diseño de inoculantes efectivos que se destinen para potenciar la producción agrícola. Diferentes son los estudios que se han realizado con el fin de conocer el efecto de la inoculación de G. diazotrophicus en plantas de interés agrícola y se ha observado que esta bacteria propicia un mayor tamaño de plantas, peso seco e incluso mayor número de frutos (Tabla 1).

En la actualidad se han propuesto diversas formulaciones que contienen a G. diazotrophicus, por ejemplo un inoculante multiespecies que contiene a la bacteria potencia el crecimiento de caña de azúcar [50]. Otra formulación multiespecies también conteniendo esta bacteria estimula el crecimiento de maíz, papa, jitomate y otros cultivos [40, 51]. El número de patentes publicadas que contemplan a G. diazotrophicus es muy pequeño, sin embargo, se ha incrementado en los últimos dos años (Figura 1). El país con mayor número de patentes en este campo es Reino Unido (12 patentes) seguido por México (2 patentes), otros países contribuyen con una patente (Brasil, India y Corea del Sur). En cuanto a formulaciones comerciales, aun no existen formulaciones comerciales que contengan a esta bacteria, no obstante dado su potencial elevado para promover el crecimiento de plantas, su compatibilidad con el medio ambiente y su capacidad de proteger a las plantas contra los patógenos, se puede pronosticar que será una bacteria que se usará con fines de inoculación bacteriana dentro de formulaciones de segunda generación [2, 5].

CONCLUSIÓN

G. diazotrophicus es una especie bacteriana que ha sido aislada a partir del interior de plantas ricas en sacarosa y también de la rizósfera de plantas ricas en materia orgánica. Esta bacteria promueve el crecimiento de plantas diversas a través de diversos mecanismos entre los que destaca la fijación biológica de nitrógeno, la producción de fitohormonas, la solubilización de fósforo y zinc, el biocontrol de patógenos y la estimulación de la defensa de plantas. Cada vez hay mayor investigación sobre esta bacteria y el número de patentes está incrementando, por lo que se predice que en un futuro cercano se usarán formulaciones que contengan a esta bacteria para potenciar el rendimiento de los cultivos.

CONFLICTO DE INTERESES

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

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