Microorganismos y Bioestimulación:

cuando la agricultura se pone en manos de la biotecnología

El manejo sostenible de la fertilización es una preocupación creciente debido al impacto ambiental generado por el uso abusivo de fertilizantes químicos convencionales (Wezel et al., 2014). La utilización de fertilizantes químicos es un método muy efectivo y económico de aportar nutrientes minerales a los cultivos (Chen, 2006).

Introducción

Sin embargo, es habitual que su aplicación y dosificación se produzca de manera incorrecta, lo que implica el empleo de grandes cantidades con poca eficiencia (Grageda-Cabrera et al., 2018). Estos fertilizantes, con frecuencia, son lavados del suelo por escorrentía (Lawlor et al., 2008) o por infiltración (Lizarralde, 2016), algo que provoca efectos adversos en el medio ambiente tales como la eutrofización de aguas, la emisión de gases de efecto invernadero, la pérdida de la fertilidad del suelo (Liu y Xie, 2019; Galindo et al., 2020), así como la contaminación de aguas subterráneas.

Además, en el caso de los productos fitosanitarios, estos pueden causar serios riesgos para la salud del consumidor como consecuencia de la presencia de residuos en los productos alimenticios (Sofo et al., 2014). En este contexto, la aplicación de biofertilizantes se perfila como una alternativa sostenible al uso de agroquímicos, ya que promueve a largo plazo la productividad de los cultivos, jugando un papel fundamental en la mejora de la salud de los suelos de forma sostenible, al tiempo que permite la reducción en la aplicación de fertilizantes químicos (Itelima, et al., 2018).

Bioestimulantes

En la reciente regulación (UE) 2019/1009 del Parlamento Europeo y del Consejo de 5 de junio de 2019, los bioestimulantes se definen como productos fertilizantes cuya función es estimular los procesos de nutrición de las plantas, independientemente del contenido de nutrientes del producto, con el único objetivo de mejorar características de la planta o su rizosfera relacionadas con la eficiencia en el uso de nutrientes, la tolerancia al estrés abiótico, las características de calidad de la producción o la disponibilidad de nutrientes inmovilizados en el suelo o la rizosfera (UE, 2019).

Es importante subrayar que la actividad bioestimulante no debe depender de los nutrientes del producto o de su contenido en hormonas vegetales naturales (Paul et al., 2019), sino que ha de estimular procesos naturales mejorando el crecimiento de las plantas, la productividad y su respuesta frente al estrés, tanto abiótico como biótico (Rouphael y Colla, 2018).

Los componentes más conocidos de los bioestimulantes son elementos minerales, vitaminas, aminoácidos, polisacáridos, oligosacáridos, trazas de hormonas vegetales naturales (Paul et al., 2019), así como microorganismos, principalmente rizobacterias promotoras del crecimiento vegetal (PGPR), y hongos beneficiosos que pueden ser de vida libre, encontrarse asociados a la rizosfera o convivir como endosimbiontes de la planta (du Jardin, 2015).

Rizobacterias promotoras del crecimiento de las plantas (PGPR)

El uso de microorganismos benéficos, como las PGPR, constituye una de las bases de la biotecnología enfocada a la producción agrícola sostenible (Glick, 2018) donde, en combinación con otros aspectos agrobiotecnológicos, forman parte de un contexto ecológico y económico cuyo objetivo es reducir la utilización de productos de síntesis química en la agricultura (Gouda et al., 2018) y asegurar la cantidad, calidad y sostenibilidad en el suministro de alimentos (Álvarez-López et al., 2014).

El uso de PGPR tiene un efecto directo sobre las plantas, mejorando su salud y nutrición (Valenzuela-Aragon et al., 2019). Por otro lado, el uso de inoculantes microbianos ofrece otras ventajas indirectas sobre los cultivos, ya que repercute sobre la fertilidad de los suelos, mejora el contenido en materia orgánica e incrementa la biodiversidad de los mismos (Tejada, et al., 2011). Estos efectos se extienden también a nivel estructural. La microbiota del suelo influye en la formación de agregados que mejoran la porosidad y permeabilidad del sustrato, con el consiguiente beneficio en la aireación de los suelos, el flujo de agua y la mejora de la captación de nutrientes por parte de las raíces (Umer & Rajab, 2012). Por tanto, estos inoculantes bacterianos constituyen una alternativa para incrementar la productividad de las plantas (Hurtado et al., 2020).

Además del estrés biótico ejercido por diferentes patógenos, las plantas a menudo están expuestas a diferentes tipos de estrés abiótico provocado por la sequía, la salinidad, la deficiencia de nutrientes o el exceso de metales pesados (Borriss, 2011). Pero, al igual que ocurre con el estrés generado por patógenos, las PGPR pueden actuar como inductores de tolerancia contra este tipo de estrés abiótico, fenómeno denominado resistencia sistémica inducida (Yang et al., 2009).

Este tipo de microorganismos estimula la síntesis de compuestos promotores del crecimiento como el ácido indolacético, auxinas, giberelinas y citoquininas (Capistrán et al., 2020), lo que favorece la progresión fisiológica y el desarrollo de las plantas (Vega- Celedón et al., 2016). El límite entre organismos de control biológico (BCO) y PGPR no está bien definido. De hecho, los BCO, cuya acción principal es prevenir o inhibir el crecimiento de patógenos mediante resistencia sistémica adquirida, también ejercen beneficios indirectos sobre el crecimiento de las plantas mediante antibiosis basada en la producción de enzimas hidrolíticas o sustancias inhibidoras.

Los efectos positivos mostrados por las PGPR

Los efectos positivos mostrados por las PGPR han sido fuertemente asociados a diversos mecanismos de acción, actuando de forma tanto directa como indirecta. De esta manera, se consideran efectos directos aquellos asociados al crecimiento de las plantas mediante la producción de fitohormonas, tales como auxinas (ácido indolacético AIA), citoquininas (zeatinas) y ácido giberélico; compuestos orgánicos volátiles (acetoína y derivados del azufre), la fijación biológica de nitrógeno, la solubilización y aumento de disponibilidad de nutrientes en el suelo como potasio o fósforo (Moreno-Reséndez et al., 2018; Valenzuela-Ruiz, 2018; Backer et al., 2018), o la oxidación de azufre.

Otros efectos directos promovidos por los organismos PGPR se relacionan con la reducción del estrés a través de la regulación de los niveles de etileno, la producción de ácido abscísico (Berg, 2009), el aumento del desarrollo radicular (Goswami et al., 2016) y la mejora de permeabilidad de la raíz (Enebak et al., 1998). Además, los organismos bioestimulantes actúan de forma indirecta con mecanismos asociados a la resistencia de los cultivos a fitopatógenos mediante la producción de lipopéptidos, antibióticos o enzimas líticas (Villarreal-Delgado et al., 2018; Villa-Rodríguez et al., 2019); la formación de sideróforos (Fernández- Herrera et al., 2019), o estimulación de la resistencia sistémica inducida y competencia con microorganismos nocivos (Backer et al., 2018).

Las plantas atraen microbiota específica presente en el suelo a través de la exudación de compuestos desde sus raíces, conformando una comunidad microbiana adaptada a sus necesidades. Se estima que una cantidad sustancial del carbono fijado por la planta, entre el 5 y 21%, es excretada en forma de exudado a través de la raíz (Marschner, 2011). Los exudados emitidos por las raíces son principalmente carbohidratos, ácidos orgánicos y aminoácidos (Somers et al., 2004) que las bacterias utilizan como nutrientes y que varían de manera específica, no sólo en función de la planta, sino también de su estado de desarrollo fisiológico, promoviendo una comunidad microbiológica propia de forma activa a través de las secreciones radiculares (Tkacz & Poole, 2015).

Esta especificidad se conoce en profundidad, especialmente en el caso de plantas leguminosas y sus endosimbiontes, del género Rhizobium, pero también se ha observado en relación a multitud de cultivos de distintos grupos de interés como cereales. Se ha demostrado que la misma planta promueve microbiomas similares en suelos de distinta naturaleza (Bargaz, et al., 2018). Este hecho pone de relieve la importancia de la competitividad de los microorganismos utilizados como bioestimulantes y, en especial, su capacidad para colonizar el entorno rizosférico.

La colonización de la raíz es importante para que la bacteria bioestimulante realice su función. A su vez, tanto la colonización como la supervivencia de las bacterias dependen de factores físicos, químicos y biológicos tales como el pH, la textura del suelo, los nutrientes, la humedad y temperatura, el porcentaje de materia orgánica y la competencia con otros microorganismos (Bonfante y Anca, 2009). Una buena colonización de la superficie de la raíz es esencial para determinar un efecto adecuado de organismos PGPR, considerándose como un factor limitante para la eficacia de organismos estimulantes del crecimiento una pobre colonización del rizoplano. Los sitios más comunes para el desarrollo bacteriano son las intersecciones entre las células epidérmicas y las áreas donde aparecen las raíces laterales (Lugtenberg y Kamilova, 2009).

Por lo tanto, el uso de productos bioestimulantes formulados en base a organismos PGPR tiene como una de sus estrategias el enriquecimiento del suelo en promotores del crecimiento, para mejorar la presencia de bacterias de interés en el entorno de la raíz. En este contexto, la compañía Seipasa, dentro de su modelo de Tecnología Natural basado en la innovación y la investigación aplicadas a sustancias de origen botánico y microbiológico para el desarrollo de tratamientos agrícolas, ha trabajado en el desarrollo del conocimiento acerca de las bacterias PGPR como complemento bioestimulante de la producción agrícola sostenible. Fruto de ese trabajo ha nacido el producto Radisei, el cual contiene una cepa PGPR exclusiva como principal ingrediente activo del formulado.

Bacillus subtilis (Ehrenberg)

De los PGPR disponibles comercialmente, B. subtilis destaca por su resistencia a condiciones ambientales desfavorables (Szczech y Shoda, 2006) y de estrés, ya que algunas de las cepas catalogadas toleran el estrés térmico (hasta 43.5 °C), el hídrico (PEG, 10%, -0.84 mPa), el salino (NaCl 5%, 6.8 dS m-1) y el químico (Clorotalonil) (Montoya et al., 2020). Esta resistencia a condiciones adversas se debe en gran medida a su capacidad de formación de esporas de resistencia que, junto a su crecimiento rápido y capacidad de colonización de la superficie de las raíces de las plantas (Kumar et al., 2011), además de su viabilidad a largo plazo, facilita el desarrollo de productos comerciales para la agricultura moderna (Haas y Defago, 2005).

B. subtilis es una bacteria perteneciente a la familia de los Bacillaceae, gram positiva con morfología bacilar, aerobia y anaerobia facultativa. Produce endosporas con morfología oval o cilíndrica que le permite resistir condiciones ambientales desfavorables. Son móviles por la presencia de flagelos laterales. La propagación activa del microorganismo se produce en medios que presentan superficie húmeda. Se encuentra principalmente en suelos agrícolas, raíces de las plantas y en el tracto gastrointestinal de los animales (Layton et al., 2011).

B. subtilis también destaca debido a su capacidad para promover el crecimiento vegetal, mediante la síntesis de fitohormonas (Fahad et al., 2015) y el aumento en la disponibilidad de nutrientes en el suelo (Xie et al., 2014). También se han realizado estudios con sideróforos en la actividad antagonista contra microorganismos fitopatógenos (Fernández-Herrera et al., 2019), generación de antibióticos y enzimas líticas. También tiene capacidad de fijar nitrógeno atmosférico (Tejera- Hernández et al., 2011) y contribuye a la solubilización de fosfatos (Sharma et al., 2013).

Por otro lado, es capaz de desarrollar diferentes tipos de mecanismos de protección contra el estrés, incluida la estimulación de los mecanismos de autodefensa de las plantas (Boehme et al., 2006), ya que induce tolerancia a estrés térmico, hídrico y salino (Rodríguez et al., 2019), así como a estrés por pH subóptimo (Petersohn et al., 2001). Además, aumenta la eficiencia fotosintética y el contenido de clorofila, por lo que desempeña un papel regulador en la adquisición de energía por parte de la planta (Zhang et al., 2008). Asimismo, se utiliza con éxito en la biorremediación de suelos afectados por metales pesados (Zhuang et al., 2007). Todas estas investigaciones destacan la importancia de la cepa estudiada.

Existen cepas más prolíficas que otras, con mayor o menor capacidad bioestimulante, resistencia al estrés o especificidad por un tipo de cultivos u otros. En base a ello, resulta imprescindible la identificación y caracterización a nivel de cepa del organismo empleado para el estudio de las cualidades específicas de cada PGPR. Las últimas investigaciones realizadas por la empresa Seipasa sobre la capacidad bioestimulante de B. subtilis cepa SEIBS23 (Figuras 2 y 3) han demostrado que tiene efectos en la estimulación de los cultivos y que
mejora la disponibilidad de nutrientes para las plantas.

Adicionalmente, se ha comprobado que esta cepa coloniza de forma efectiva las raíces de diferentes cultivos, tal y como demuestran los ensayos de colonización y persistencia en sandía y tomate (Figura 4) llevados a cabo por Seipasa. La capacidad de B. subtilis para formar un biofilm sobre la superficie de las raíces promoviendo una ocupación eficiente de este nicho, ha sido ampliamente descrita (Cámara- Almirón, et al., 2020) y supone una ventaja para el uso de este microorganismo como inoculante, ya que garantiza una asociación estable con el cultivo y facilita su efecto estimulante en la planta.

Conclusiones generales

La utilización de la bacteria B. subtilis como bioestimulante de plantas hortícolas, es una práctica agronómica que posibilita la reducción del uso de insumos de síntesis química sin afectar al rendimiento de los cultivos, y que permite salvaguardar la fertilidad de los suelos, la salud ambiental y la salud humana.

B. subtilis estimula la biosíntesis de fitohormonas y provoca cambios morfológicos y fisiológicos en el sistema radicular. Esta acción promueve el desarrollo radicular al generar un mayor contacto de la raíz con el medio, lo que aumenta el área de superficie total de la raíz, favorece una mayor absorción de agua y mejora al mismo tiempo la absorción de nutrientes. Además, solubiliza y aumenta la disponibilidad de los nutrientes del suelo favoreciendo una correcta nutrición.

Todo ello repercute en un mejor desarrollo de la planta, que aumenta su capacidad para afrontar diferentes tipos de estrés, tanto abiótico como biótico, y se traduce en un mayor desarrollo vegetal y producción agrícola. Es necesaria una correcta caracterización a nivel de cepa para aquellos organismos utilizados en los productos bioestimulantes, con el fin de asegurar que ofrecen los beneficios perseguidos para los cultivos. Los estudios conducidos por Seipasa han demostrado que la cepa B. subtilis SEIBS23 coloniza adecuadamente las raíces de diferentes hortícolas, al mismo tiempo que muestra capacidad de solubilizar potasio, fijar nitrógeno atmosférico y formar sideróforos, lo que la convierte en una cepa muy adecuada para su uso en bioestimulación.

Por otro lado, las pruebas realizadas con Radisei, producto bioestimulante de la compañía Seipasa compuesto de B. subtilis SEIBS23, han mostrado que aumenta la producción de pimiento var. Largo de Reus, así como de aceitunas, donde también mejoró las cualidades del aceite al reducir la acidez y aumentar los polifenoles totales.

Alejandro Salvador, Inmaculada del Castillo, Mercedes Verdeguer, Javier Nacher y Marta Muñoz.

Instituto Agroforestal Mediterráneo (IAM), Universitat Politècnica de València (España) y Seipasa SA (España).