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Marzo 2017 | Nutrición

El rol de las señales tipo auxinas de los microorganismos en el desarrollo de las plantas

El Dr. José Luis López Bucio, del Instituto de Investigaciones Químico Biológicas de la Universidad Michoacana de San Nicolás de Hidalgo, México, ofreció una de las conferencias más interesantes durante el 1er Simposio Mundial sobre Bioestimulantes, organizado en Francia por New Ag International.

“El planeta necesita hoy entra a una nueva revolución verde. Para satisfacer las mayores demandas por alimentos en un ambiente donde cada vez hay menos tierra y agua disponible, necesitamos entrar a una segunda revolución verde donde tengamos objetivos productivos pero al mismo tiempo objetivos de sustentabilidad. Y en esa nueva revolución el uso de biofertilizantes es clave”, señaló a los asistentes en Estrasburgo el investigador mexicano José Luis López Bucio.

¿QUÉ SON LOS BIOFERTILIZANTES?

El término biofertilizante se refiere a las preparaciones que contienen microorganismos vivos que ayudan a potenciar la fertilidad del suelo ya sea fijando nitrógeno atmosférico, solubilizando fósforo, descomponiendo desechos orgánicos o aumentando el crecimiento de las plantas al generar hormonas de crecimiento debido a sus actividades biológicas.

Hay muchos ejemplos de microorganismos benéficos, como son las trichodermas, rhizobium, azopirillum, entre otros ya en uso y miles por descubrir.

Las ventajas de los biofertilizantes son:

  • Fuentes renovables de nutrientes.
  • Sustentan la salud del suelo.
  • Suplementan fertilizantes químicos.
  • Pueden reemplazar 25-30% de fertilizantes químicos.
  • Aumentan rendimientos.
  • Descomponen residuos vegetales y estabilizan el ratio C:N en el suelo.
  • Mejoran la estructura del suelo y la capacidad de retención de agua.
  • Estimulan el crecimiento de las plantas al secretar hormonas de crecimiento.
  • Secretan sustancias fungistáticas y antibióticas.
  • Solubilizan y movilizan nutrientes.
  • Son una opción amigable con el medio ambiente y eficientes desde el punto de vista de los costos.

ACCIÓN SOBRE EL SISTEMA RADICULAR: TRICHODERMAS

Al inocular el suelo con microorganismos benéficos se puede modular la estructura radicular. Los hongos trichodermas regulan la estructura radicular de las plantas y también tienen propiedades de biocontrol. Actualmente hay más de 50 formulaciones disponibles de trichodermas y sus principales efectos en las plantas son el biocontrol de patógenos radiculares, la activación de las defensas de las plantas y la regulación del crecimiento de las plantas.

Y pese a que hay mucha evidencia que el uso de trichodermas aumenta la emisión de brotes y aumenta los rendimientos productivos, no se conocen muy bien sus mecanismos fisiológicos.

Por estas razón el Dr. López Bucio y su equipo decidieron realizar ensayos en la planta modelo Arabidopsis thaliana para ver como Trichoderma virens y Trichoderma atroviride promueven el crecimiento de Arabidopsis.

Y en el ensayo quedó muy claro que aumenta la emisión de raíces y esto se relaciona con un incremento en la producción de biomasa de brotes. También hay mayor acumulación de antocianinas. También se demostró que los efectos benéficos dependen del nivel de inoculación.

¿AUMENTAN LAS TRICHODERMAS EL NIVEL DE AUXINAS EN LAS PLANTAS?

Como se sabe, la formación de raíces laterales depende de las señales auxínicas. Para ello entonces ensayamos si estos hongos pueden liberar factores que incrementen la sensibilidad a auxinas en las plantas. En plantas transgénicas de Arabidopsis existe un marcador ( llamado DR5:GUS) que permite ver los lugares donde las auxinas son activas. Al ver los resultados se pudo comprobar en forma visual que las trichodermas pueden generar auxinas.

Pero además hicimos un análisis químico para ver si las trichodermas pueden liberar auxinas. Y descubrimos que sí pueden liberar ácido indol-acético (IAA). Además en los ensayos pudimos descubrir un par de auxinas adicionales.

Trichoderma virens produce además indol-3-aldehido e indol-3-etanol. Estos tres compuestos se consideran precursores de las auxinas. Luego investigamos si estos tres compuestos indol-acéticos pueden activar respuestas auxínicas en las plantas.

En base a estos resultados generamos un modelo que explica la regulación del crecimiento radicular por trichoderma en arabidopsis.

Trichoderma virens genera compuestos tipo auxinas: ácido indol-acético, indol-etanol e indolacetaldehído. Estos compuestos a través de señales estimulan el crecimiento radicular y promueven el crecimiento de las plantas.

LAS BACTERIAS COMO BIOFERTILIZANTES

“Esta es una historia fascinante que comenzó diez años atrás. Estábamos estudiando unos compuestos de las plantas llamados alkamides. Estos compuestos están presentes en varias plantas, incluyendo una planta muy usada por los indígenas en México llamada Heliopsis longipes. Los indígenas obtienen extractos etanólicos de estas plantas para usarlos como medicina y utilizan además sus raíces como suplemento alimenticio. Estos compuestos (alkamides) se concentrar en las raíces de las plantas.

Quisimos saber si estos compuestos son activos modulando las actividades de las plantas. Observamos que el compuesto N-isobutil decanamide tenía un efecto supresor del crecimiento radicular, salvo cuando se usaba en altas concentraciones.

Entonces para saber si estos compuestos son percibidos por las plantas hicimos un screening de 25.000 semillas mutantes para poder detectar mutantes de Arabidopsis que fueran defectuosos en la percepción de N-isobutil decanamide. Encontramos el mutante y lo propagamos.

Y al hacer ensayos con las plantas, descubrimos que la arabidopsis con el gen mutante que no percibe las sustancias N-isobutol decanamide tenía una mayor respuesta agronómica.

Y al analizar con mayor precisión estos compuestos nos dimos cuenta que estos compuestos son muy similares a unas señales emitidas denominadas AHL ( N-decanoil-L- homoserine lactone) que las bacterias utilizan para un proceso denominado “quórum sensing”. La capacidad de algunas bacterias para comunicarse con las bacterias circundantes, recibe el nombre de Quorum Sensing, pues las células son capaces de detectarse las unas a las otras y desencadenar acciones concertadas.

Hay muchas bacterias que utilizan estas sustancias AHL ( N-decanoil-L- homoserine lactone), por ejemplo en Vibrio fischeri el quórum sensing sirve para generar luminescencia, en Agrobacterium tumefasciens sirve para transferir tumores, en Pseudomona aeruginosa, para transmitir virulencia, en Rhizobium, para genera nodulación.

COMUNICACIÓN ENTRE PLANTAS Y BACTERIAS

Es así como investigaciones recientes han demostrado que las raíces de las plantas pueden percibir los compuestos de las bacterias y activar de esa forma sus mecanismos de defensa. Y las plantas pueden emitir compuestos parecidos a las AHL para afectar el quórum sensing de las bacterias. Es una comunicación entre  diferentes reinos de la naturaleza.

Para entender mejor todo esto, comenzamos con la siguiente hipótesis: las raíces pueden responder a tratamientos con AHL y estas a su vez pueden regular el crecimiento primario de las raíces.

Hicimos los ensayos y descubrimos que así era.

ENSAYOS CON PSEUDOMONA AERUGINOSA

Quisimos continuar con nuestro trabajo y decidimos trabajar con Pseudomona aeruginosa. Esta es una bacteria bastante patogénica y se tiene mucha información sobre ella porque afecta a los seres humanos, animales y plantas. En P. Aeruginosa alrededor de un 5 a un 20% de los genes están sujetos a la regulación por quórum sensing. Además tiene mutantes que son deficientes en la producción de AHL.

Realizamos trabajos in vitro para evaluar la interacción entre Arabidopsis y esta Pseudomona. Y fue muy claro ver cómo esta bacteria reprime el crecimiento radicular.

Pero aquí viene la gran sorpresa: el mutante de P. Aeruginisa ( P. Aeruginosa Las I) estimula el crecimiento radicular y también el desarrollo de brotes.

Los efectos son radicales: con la aplicación de la bacteria mutante P. Aeruginosa Las I, se obtienen cuatro veces más materia seca en raíces y tres veces más materia seca de brotes comparado con las planta sin inocular.

Al realizar un análisis químico descubrimos que esta bacteria produce compuestos bioactivos que inhiben y otros que estimulan el crecimiento radicular. Los compuestos que estimulan el crecimiento radicular son ciclopéptidos.

MUTANTE DE PSEUDOMONA AERUGINOSA ES UNA “FÁBRICA QUÍMICA”

Estos mutantes acumulan muchos más ciclipéptidos de lo normal, se parecen mucho a las auxinas y estos tres compuestos y el ácido indol-acétido reconocen el mismo lugar receptor de las auxinas. Por esta razón estos ciclopéptidos se pueden considerar compuestos tipo-auxinas. Y cuando se aplican en cantidades altas, generan respuestas como auxinas. Se realizaron ensayos en invernadero con plantas inoculadas y los resultados benéficos fueron muy categóricos.

DOS BACTERIAS MUY PROMISORIAS PARA ESTIMULAR RAÍCES

Descubrimos entonces que si se tiene una colección de bacterias, se pueden identificar bacterias patogénicas pero también bacterias que pueden ser utilizadas como biofertilizantes. Entonces comenzamos a analizar una colección de bacterias obtenidas desde suelos donde se cultivan limones, frijoles y maíz. Y volvimos a descubrir que los ciclopéptidos son fundamentales en la bioestimulación de las plantas. Encontramos dos bacterias muy promisorias en nuestra colección: Pseudomona putida y Pseudomona fluorescens. Ambas tienen actividades tipo-auxinas, promoviendo el desarrollo radicular.

CONCLUSIONES

  • Arabidopsis thaliana es un buen modelo para identificar microorganismos con uso potencial en la agricultura.
  • Bacterias y hongos pueden producir ácido indol-acético (IAA), precursores del IAA y señales que imitan las auxinas, para promover el desarrollo de las raíces.
  • El sistema radicular es un buen objetivo para la fitoestimulación. Al mejorar la superficie absorbente total de las raíces, se puede mejorar la nutrición e hidratación de las plantas.
  • El uso de microorganismos de la rizósfera puede ser una buena alternativa de agricultura sustentable.
  • Estos ensayos han sido realizados en laboratorio, ahora hay que expandirlos a trabajos de campo.