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Noviembre 2018 | Agtech

Creciente uso de bioproductos y prometedores hallazgos

Bacterias para mejorar el desarrollo de las plantas: del laboratorio al mercado

En la actualidad disponemos de productos que utilizan bacterias (PGPB) con fines nutricionales de las plantas, de protección contra enfermedades y de defensa ante el estrés ambiental. Todavía queda mucho por aprender y avanzar, pues en muchos casos sabemos que funcionan, pero no tenemos bien claro cómo lo hacen. El Dr. Milko Jorquera de la UFRO nos cuenta de las tendencias que van haciendo confluir a la investigación y el mercado. Tal vez dentro de algunos años estemos usando bacterias tomadas de plantas de la Antártida para proteger a los frutales contra las heladas.

Milko Jorquera en el Laboratorio de Ecología Microbiana Aplicada, de la Universidad de la Frontera.

Durante la 5ª Conferencia Redagrícola y Agtech Latam (2018), el Dr. Milko Jorquera, del Laboratorio de Ecología Microbiana Aplicada (EMAlab) de la Universidad de la Frontera (UFRO), abordó el tema “Bioinsumos: uso de bacterias nativas para aumentar la producción agrícola”.

Para contextualizar, el experto señala que tanto en el suelo donde se desarrollan las raíces (rizosfera), como en la parte interna y aérea de la plata (endósfera y filósfera, respectivamente), se puede observar una intensa actividad de microorganismos. Antiguamente se consideraba una contaminación, pero hoy sabemos que muchos de ellos están aportando al crecimiento y salud de las plantas.

En ese micromundo interactúan, entre sí y con la planta, nematodos, artrópodos, protozoos, arqueas, bacterias, hongos, algas y virus.  Los trabajos del Dr. Jorquera, gracias al apoyo del Fondecyt (Proyectos no. 1160302 y 1116112), se han dirigido al estudio de las bacterias, y específicamente a las bacterias promotoras del crecimiento vegetal (conocidas como PGPB, por su sigla en inglés correspondiente a plant growth-promoting bacteria). Estas bacterias “buenas” intervienen facilitando el desarrollo de las plantas, colaboran en la adquisición de nutrientes, protegen contra los patógenos, activan respuestas inmunes, participan de la fisiología o el metabolismo y contribuyen a la tolerancia frente al estrés ambiental de las plantas.

CÓMO IDENTIFICAR Y ELEGIR LAS BACTERIAS “BUENAS”

Cuando nuestro objetivo es la utilización de dichos agentes con el fin de potenciar su acción benéfica para las plantas, afirma el académico, debemos tener en consideración que se encuentran en un ambiente complejo. Sobre ellos inciden el genotipo y el estado de desarrollo del cultivo, el manejo nutricional del suelo, el pH, la materia orgánica, el nivel de humedad, la radiación solar, las temperaturas, etc. Asimismo, no todos los organismos son benéficos, y, tal como hay PGPB, asimismo podrán encontrarse presentes bacterias que actúan como patógenos de las plantas o que causan enfermedades en plantas y animales.

–Son los microorganismos que no queremos que estén ahí– explicita Jorquera.

Para estudiar las bacterias, primero se recogen en una muestra de suelo o tejido vegetal; luego, en el laboratorio, se hacen cultivos que permiten aislarlas y distinguirlas; a continuación, se reúnen en colecciones y se etiquetan. En el paso siguiente se buscan aquellas que tienen características de interés; por ejemplo, la capacidad de solubilizar fósforo desde formas insolubles contenidas en el suelo, de modo que este nutriente quede disponible para las plantas. Entonces se analiza qué gen o mecanismo que esté asociado a dicha característica, el cual se selecciona, se confirma y se caracteriza a nivel molecular. Para ello se emplean diferentes técnicas, tanto tradicionales como las últimas tecnologías. “Hoy es factible secuenciar el genoma de una bacteria”, afirma el investigador de la UFRO.

La etapa que viene consiste en probar aquellas bacterias que poseen el gen o mecanismo ya caracterizado y evaluar su impacto en las plantas. La figura 1 muestra el efecto sobre el crecimiento obtenido con 100 tipos de bacterias diferentes, medido en peso total de materia seca. La línea roja representa el nivel del testigo sin aplicación. Como se aprecia, algunas provocan una disminución, otras mantienen y otras aumentan el crecimiento vegetal. Las últimas se seleccionan para estudiar su comportamiento en nuevos ensayos, en laboratorio, invernadero y campo.

Figura 1. Evaluación del efecto de PGPB sobre el crecimiento de plantas, medido como peso seco total (gramos).

EL MARCADO AUMENTO DE LA COMERCIALIZACIÓN DE BIOINSUMOS

El éxito logrado gracias a la utilización de microorganismos está generando un creciente mercado de bioinsumos con distintas aplicaciones, como ejemplifican las figuras 2 y 3. Sin embargo, acota el experto, el nivel de avance no es igual en todos los rubros:

Figura 2. Tamaño del mercado de biofertilizantes en EE.UU., por producto, 2012-2022 (millones de dólares).

–Inoculantes bacterianos para tréboles y leguminosas ya se venden en Chile, pero en cereales no existe, hay que desarrollar un producto para eso– ejemplifica el entrevistado.

En nuestro país, igualmente, se verifica un creciente número de empresas dedicadas al negocio de los bioinsumos. Ello se debe, por una parte, a la constatación de resultados concretos; por otra, a una mayor conciencia respecto de los aspectos ambientales (en parte motivada por exigencias de los mercados de destino) y a variaciones del escenario productivo. Este tercer factor es consecuencia las prácticas agrícolas tradicionales, del uso intensivo de los recursos y del cambio climático, generando estreses ambientales.

Figura 3. Participación del mercado mundial de biofertilizantes, por forma de aplicación, 2016 (%).

BACTERIAS PROVENIENTES DE PALTOS Y BACTERIAS DE LA ANTÁRTICA

En fruticultura, el Dr. Jorquera ha realizado trabajos financiados por Fondecyt y en colaboración con la Universidad de California Riverside y con el productor Jorge Schmidt:

–Tomamos bacterias de paltos de la zona central –relata el microbiólogo–, las aislamos, no solo en el suelo cercano a la raíz, sino también dentro de la planta (en raíces, tallos y hojas), y analizamos si tenían los mecanismos que nos interesaban. Hicimos la preselección en trigo (por su facilidad de manejo y para obtener resultados rápidamente). Luego efectuamos ensayos de campo durante 10 meses.

Los resultados con paltos expuestos a salinidad y déficit hídrico a nivel de campo, mostraron que la aplicación de bacterias seleccionadas generó una mejoría en distintos parámetros, especialmente en la reducción del daño celular (TBARS) que provoca el estrés.

Un área nueva de investigación a nivel mundial, abordada por el académico, corresponde a la existencia de mecanismos en las bacterias para sobrellevar las heladas. Uno de ellos se relaciona con proteínas anticongelantes que les permiten mantener el agua en estado líquido mediante un proceso llamado ‘inhibición de la recristalización de hielo’. Gracias al apoyo del Instituto Antártico Chileno (INACH, Proyecto RT_02_16), miembros del EMAlab pudieron viajar al continente helado y recolectar muestras de bacterias de la planta Deschampsia antarctica. Hoy, ya contando con los resultados de los análisis de laboratorio, ha obtenido nuevos recursos del INACH para probar el empleo de PGPB psicrotolerantes (adaptadas a vivir en condiciones de frío extremo) en prevención de heladas, principalmente en paltos. La evaluación debe determinar si son capaces de transferir sus capacidades al cultivo.

–Hace algunos días hicimos un ensayo donde mantuvimos un grupo de esta clase de bacterias a -80°C durante un día entero, y la mayor parte sobrevivió. Puede ser un tema de densidad, donde los organismos se agrupan y se protegen, quedando las capas externas expuestas al frío. Ahora las vamos a separar, disminuir la densidad, y ver qué pasa– cuenta Jorquera.

Adicionalmente la Antártida, aunque a primera vista pareciera inverosímil, se caracteriza por la muy poca disponibilidad de agua para las plantas. Las bacterias que viven allí, por lo tanto, tienen resistencia al déficit hídrico. Y también, por tratarse de un ambiente muy poco intervenido por el hombre, estos microorganismos son considerados de bajo riesgo si son introducidos a un medio ambiente distinto (como la zona donde se produce palta). Sin embargo, esto también hay que estudiarlo.

Figura 4. Ensayos en plantas de pepino inoculadas con bacterias aisladas desde ambientes áridos (desierto).

UNA SORPRENDENTE MULTIPLICIDAD DE POSIBILIDADES

Otra vía de desarrollo corresponde a la ampliación de usos de una misma bacteria, de manera que, por poner un caso, además de liberar el fósforo atrapado en el suelo, sea capaz de enriquecerlo con el nitrógeno disponible en la atmósfera y aportar un mecanismo de estrés abiótico. Esto es posible de hacer gracias a que estas “habilidades múltiples” de las bacterias se dan en la naturaleza.

–El 90% de las bacterias que nosotros aislamos produce auxinas, hormona que se vincula al desarrollo vegetal –detalla el especialista–; un 50 a 60% es capaz de utilizar fósforo insoluble; un 30 a 40% puede utilizar una enzima que mejora la tolerancia al estrés. Son bacterias presentes y mediante una buena búsqueda microbiológica tenemos la posibilidad de aislar candidatos que, por ejemplo, capten fósforo para una pradera, pero si se produce una falta de agua también le aporten tolerancia en ese aspecto.

CONDICIONES PARA EL DESARROLLO DE PRODUCTOS COMERCIALIZABLES

Para el desarrollo de productos que sean un real aporte a nivel productivo, se debe cumplir una serie de condiciones, plantea el profesional de la UFRO.

-Definir si se utiliza una bacteria aislada o un ‘consorcio’ de 2, 3 o 4 bacterias distintas. A veces esta agrupación funciona bien, pero también puede ocurrir que unas inhiban a las otras.

-Eficacia: que en condiciones de campo la PGPB continúe activa, que no desaparezca a manos de otros microorganismos presentes. También se necesita saber si sirve solo para una planta o varias plantas.

-Prevalencia: se requiere monitorear si una población de la PGPB sigue viva a través del tiempo o bien hasta dónde se prolonga su periodo de sobrevivencia.

-Tipo de cultivo: las condiciones para una PGPB serán muy distintas si se emplea en praderas, cereales, hortalizas o frutales, por ejemplo. Sin embargo, de acuerdo con la experiencia del Dr. Jorquera, las bacterias son muy versátiles: “Las hemos aislado en el desierto, la Patagonia, la Antártica. Las aplicamos en trigo, funcionan; en palto, funcionan, y también en otros cultivos”.

-El ciclo de vida del cultivo (dormancia, desarrollo vegetativo, floración, germinación, cuaja, etc.) resulta muy importante no solo en cuanto al momento en que queremos que la bacteria produzca su efecto, sino también en cuanto al periodo óptimo de aplicación.

-Adaptabilidad o tolerancia a cambios ambientales y manejo agronómico: una PGPB puede comportarse muy bien en condiciones de laboratorio, pero debe tener la capacidad de responder en un ambiente distinto, y ver si resiste, por ejemplo, las aplicaciones de productos fitosanitarios.

-Forma de aplicación: establecer si se distribuye en el suelo, al follaje, a la semilla, etc.

-Formulación: ver si funciona mejor en líquido, polvo, compost, té, encapsulado, inmovilizado o matrices más elaboradas.

-Capacidad de producción a gran escala: se trata de un tema clave, que precisa de un desarrollo por parte de las empresas, para suministrar las cantidades de microorganismos requeridos en superficies mayores. “No es lo mismo inocular una planta en un macetero que un huerto de paltos”, ilustra Jorquera.

-Transferencia tecnológica y patentamiento: se trata de una parte del proceso nada de fácil, reconoce el investigador. Los tiempos de la investigación y las inscripciones legales suelen ser mucho más lentas que las necesidades urgentes de los productores. Por otra parte, indica la necesidad de contar con la participación de las empresas, tanto de las que están interesadas en la producción y comercialización de estos insumos, como de las empresas agrícolas para probar los avances de los estudios a nivel de campo.

-Regulaciones y normativas (inocuidad): algunas PGPB pueden tener características muy útiles en ciertos aspectos, pero hay que asegurar el cumplimiento de las normas fito y zoosanitarias y las de protección de la salud humana. “Puedo trabajar con especies de Pseudomonas, porque no todas son fitopatógenas, pero debo validar eso. Igualmente, no puedo simplemente aplicar una enterobacteria en el agua de riego si no he demostrado su inocuidad para las personas”, ejemplifica el especialista.

-Plataforma de interacción industria-gobierno-academia: la retroalimentación entre las tres partes resulta fundamental para avanzar en este ámbito.

En Chile existen varios grupos de trabajo en PGPB, entre los cuales el profesor de la UFRO mantiene contactos con el CEAZA, Universidad F. Santa María, P. Universidad Católica de Valparaíso, Universidad de Talca, Universidad de Concepción, Universidad Austral y Universidad de Magallanes. Destaca también la Red Chilena de Bioinsumos, que agrupa a investigadores con empresas productoras de bioinsumos y productores agrícolas. La organización ha establecido un contacto formal con instancias gubernativas para aportar en aspectos de regulación.

Figura 5. Diagrama completo del estudio descrito

UN MUNDO DE ENORME RIQUEZA, TODAVÍA POR EXPLORAR

Cuando se aplica o inocula una bacteria, que debe ejercer su acción en un ambiente con millones de otros seres vivos, se elige una que se multiplique con rapidez y que sea competitiva, aclara Milko Jorquera. Su efecto probablemente solo va a durar un tiempo, porque después se llega a un balance con los  demás microorganismos. Ese impacto inicial lo evaluamos a través de sus beneficios, ya sea porque termina con una enfermedad o porque la planta crece más, por poner dos casos.

–¿Qué sucede después con la bacteria aplicada?

–No se hace un seguimiento: tal vez muera y sirva de alimento para otras bacterias, o quizá ayude a otras bacterias presentes en el medio y generen beneficios en forma combinada… Haciendo una analogía con un estadio, no necesito llenar la mitad de las graderías para lograr una ovación, a veces basta con sentar a 10 personas que empiecen a aplaudir, para que los demás los sigan. No lo sabemos, hay muy pocos estudios que lo han intentado, pero son muy complejos, costosos y de lenta realización. Se han basado, por ejemplo, en el uso de bacterias modificadas (que no se pueden emplear en el ambiente natural) o en la utilización de técnicas moleculares. Entonces, siendo prácticos, pensamos que mientras funcione, está bien. Ahora, el ideal sería saber con exactitud lo que ocurre, para poder tener un manejo. Si no funciona, por qué sucede eso, o, si funciona, cómo estimular aún más su efecto. Es un gran desafío de la investigación actualmente.

A futuro se espera que los avances científicos permitan conocer más sobre las interacciones de los millones de microorganismos que se desarrollan en torno a las plantas, lo cual posibilitará manejar mejor la forma aumentar el impacto de los que les aportan beneficios. Técnicas metagenómicas, que permiten secuenciar el genoma de comunidades microbianas completas, están produciendo conocimientos relevantes en ese sentido. Por otra parte, las tecnologías de aislamiento para la identificación de bacterias hasta hace poco nos permitían acceder al 1%, o incluso menos, de las que existen en el planeta. Técnicas de cultivos in situ recientes hacen posible ahora incrementar considerablemente esa capacidad, lo cual abre nuevas perspectivas para el desarrollo de productos.

–¿Y cuáles serán las tendencias en términos de bioproductos basados en PGPB que veremos aplicados en los próximos años?

–Más que un producto, es una forma de manejar: crear redes de miles de microorganismos. Los productos serán para activar la salud del suelo o de la planta, por ejemplo. Ya lo están llamando “manejo de rizosfera” o “bioingeniería de plantas”, o sea no solo inocular y ver el resultado, sino ver cómo la aplicación va generando una homeostasis en el cultivo, que lo ayude no a crecer bien y también a tolerar los estreses.