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Bacterias de suelo promotoras del crecimiento vegetal y mejoradoras de la sostenibilidad de los cultivos

Biotecnología
Producción Vegetal
Ensayos realizados en la Estación Experimental Cajamar muestran los beneficios del uso de las bacterias para mejorar la rentabilidad y sostenibilidad de la producción agrícola
Cultivo de pepino en invernadero


La agricultura debe garantizar el suministro de alimentos de una sociedad en constante crecimiento, pero promoviendo un sistema sostenible, saludable, seguro, además de rentable. En los últimos años, el desarrollo socioeconómico ha ocasionado un mayor consumo de recursos y una mayor degradación medioambiental.

El objetivo de Europa es pasar a una transición ecológica, plasmada recientemente en el ‘Pacto Verde, de la granja a la mesa' y otras medidas en esta dirección.  

Con ello se quiere promover un sistema alimentario “sano y sostenible”. Este plan establece objetivos concretos, como reducir un 50 % el uso y el riesgo de plaguicidas, un 20 % el uso de fertilizantes, además de lograr que una cuarta parte de las tierras agrícolas se destine a producción ecológica, entre otras medidas.

El sector agrario español ya ha mostrado su preocupación por el impacto que puede tener la implantación de este plan europeo  

Los bioproductos con origen de microorganismos pueden ayudar a mejorar las prácticas de producción de los cultivos contribuyendo a una producción más sostenible y sin residuos químicos, tanto en los alimentos como en los suelos agrícolas, pero hay que tener en cuenta que el suelo es un espacio vivo en el que interactúan microorganismos y diversos materiales. 

En general estos microorganismos tienen propiedades bioestimulantes y biofertilizantes, por este motivo son de gran interés en agricultura, sobre todo por su efecto promotor de crecimiento y antagonista a patógenos.

Los microorganismos son los componentes más importantes del suelo, son la parte viva de los suelos y los responsables de la dinámica de transformación y desarrollo. Los microorganismos son imprescindibles para mantener la fertilidad y salud de los suelos agrícolas, para desarrollar cultivos sanos y vigorosos, lo que determinará alimentos más saludables libres de residuos para la alimentación humana y animal, además de un menor impacto ambiental.

Para una agricultura cada vez más rentable y sostenible es necesario una buena salud del suelo. La producción agrícola actual requiere de estrategias que reduzcan los insumos de agua, fertilizantes y pesticidas, para asegurar el rendimiento vegetal a un costo relativamente bajo, sin deterioro de la fertilidad del suelo. 

Figura 1.- Los microorganismos son imprescindibles para mantener la fertilidad y salud de los suelos agrícolas. Imagen https://www.disagro.com

Figura 1.- Los microorganismos son imprescindibles para mantener la fertilidad y salud de los suelos agrícolas. Imagen https://www.disagro.com.

 

La diversidad de microorganismos que se encuentran en los suelos agrícolas cumple funciones determinantes en la transformación de los componentes orgánicos e inorgánicos que hay en los suelos, lo que nos ayuda a comprender su importancia en la nutrición de las plantas y la defensa de la propia planta antes determinadas situaciones adversas tanto bióticas como abióticas.

Cada vez tenemos más conocimiento de las aplicaciones y principios activos biológicos que contienen los biofertilizantes y bioestimulantes, invirtiéndose cada vez más para analizar sus efectos por separado y sus sinergias en su aplicación conjunta. 

Actualmente, los bioestimulantes tienen caracterizado en qué funciones fisiológicas de las plantas se contribuye, cómo lo hacen y sus efectos beneficiosos en el desarrollo del cultivo y/o ante situaciones estrés y en ausencia de estas. 

En este momento, se están estudiando y caracterizando diferentes materias y microorganismos que pueden contribuir a mejorar las sostenibilidad y rendimientos de los cultivos

Estudios sobre los microorganismos que contienen los suelos agrícolas y materias orgánicas utilizadas en la producción agrícola; nuevas materias que favorezcan la bioestimulación de las plantas como el azufre; diferentes aminoácidos con mayor efecto bioactivo en planta y suelo; bioestimulantes que potencian más la asimilación de determinados nutrientes, que favorezcan el mayor desarrollo radicular, etc.; y que se favorezca la mitigación de los efectos de los diferentes estreses a los que se verá sometidas las plantas. 

En el suelo es donde se establecen relaciones con ciertos microorganismos beneficiosos, como pueden ser bacterias y hongos, generalmente son relaciones a largo plazo y ocurren en la parte del suelo en contacto con las raíces, denominada rizósfera

La rizósfera es la región del suelo ocupada por las raíces de las plantas. La rizósfera constituye un ambiente favorable para el desarrollo de microorganismos, como bacterias, hongos y otros microorganismos como nemátodos, ácaros, insectos, etc., encontrándose en esta zona mayores cantidades que en el resto del suelo. Además, presenta una alta concentración de nutrientes, como exudados procedentes de las raíces (carbohidratos), que son fuente de energía para los microorganismos que se encuentran alrededor, estos a su vez protegen a las raíces de organismos patógenos y solubilizan minerales haciéndolos más asimilables.

Figura 2.- La rizósfera es la región del suelo ocupada por las raíces de las plantas.

 

Actualmente está tomando importancia el suelo agrícola, no solo como suministro de nutrientes esenciales y sostén de las raíces, sino como factor clave en la mejora de la sostenibilidad en la agricultura, y todo pasa por una buena salud del suelo agrícola.

La salud del suelo conlleva tener suelos con buena estructura y baja compactación, además de buenos niveles de materia orgánica, lo que implica una mejor reserva de nutrientes, mayor intercambio de nutrientes, una mayor actividad de los microorganismos del suelo, etc. También una buena salud del suelo contribuye a proteger la calidad de las aguas en los ecosistemas agrarios reduciendo el impacto de factores como la escorrentía y la lixiviación

Para mejorar la salud del suelo, aparte de tener una buena estructura, baja compactación y buenos niveles de materia orgánica, está tomando importancia la utilización de microorganismos probióticos y prebióticos

En el caso de los probióticos se trata de la aplicación de microrganismos viables y descritos como beneficiosos para el microbioma del suelo (micorrizas, rizobacterias, etc.) con el fin que puedan colonizar la rizosfera y aumentar la biodiversidad y funcionalidad del suelo

En el caso de los prebióticos, lo que se pretende es la aplicación del alimento y potenciadores de los microorganismos autóctonos del suelo con el fin de promover el microbioma local e incrementar la fertilidad y la salud del suelo de forma autorregulada y sostenible.

Los microorganismos asociados a las raíces de las plantas mejoran, estimulan y facilitan el sano desarrollo de la planta a dosis inferiores de fertilizante nitrogenado, fosforado u otros necesarios para un rendimiento rentable

Estos microorganismos son de naturaleza bacteriana y fúngica, principalmente, y mediante su correcta aplicación se favorece su desarrollo en el suelo y permiten mejorar la absorción de fertilizantes, además de proteger a las raíces del ataque de fitopatógenos. 

La agricultura actual demanda el uso reducido de plaguicidas de síntesis química y la utilización cada vez mayor de agentes biológico para el control de plagas y enfermedades, no solo en la parte área de los cultivos, sino también en el suelo, haciendo los sistemas más sostenibles

Las bacterias que habitan en la rizósfera y colonizan las raíces de las plantas, se les denomina rizobacterias. Estas rizobacterias poseen la capacidad de estimular el crecimiento de las plantas y son conocidas comúnmente como Rizobacterias Promotoras del Crecimiento Vegetal (RPCV), bien PGPR (Plant Growth Promoting Rhizobacteria), por sus siglas en inglés, al aplicarlas al suelo colonizan las raíces de las plantas mejorando su crecimiento.

Actualmente, también pueden ser aplicadas como inoculantes microbianos para potenciar los fenómenos de control biológico, o bien favorecer los procesos de biofertilización y fitoestimulación.

Las bacterias con potencial como biofertilizantes que han logrado ser aisladas e identificadas incluyen diversas especies de los géneros Alcaligenes, Azospirillum, Bacillus, Burkholderia, Enterobacter, Herbaspirillum, Klebsiella, Pantoea, Pseudomonas, Rhanella y Rhizobium, entre otras.

Interés e importancia de las bacterias en agricultura

Los mecanismos de acción de estas bacterias sobre las plantas son principalmente la estimulación del crecimiento vegetal y la función como agentes biológicos, actuando de forma indirecta o directa cuando las bacterias producen sustancias que movilizan nutrientes, como ácidos orgánicos o aminoácidos, o bien sideróforos, son mecanismos directos de acción. 

Estas sustancias además de movilizar nutrientes, también actúan como control de patógenos mediante producción de sustancias antifúngicas o antibióticas y mediante mecanismos de competencia por sustrato o inducción de la resistencia sistémica del vegetal.

Estas bacterias también pueden actuar de modo directo produciendo metabolitos que estimulan el crecimiento vegetal, como fijación de nitrógeno en asociación con la raíz, la producción de hormonas de tipo auxinas, citoquininas y giberelinas, la inhibición de la síntesis de etileno y el aumento de la permeabilidad de la raíz.

Figura 3.- Beneficios sobre los cultivos de estas bacterias PGPR.

Figura 3.- Beneficios sobre los cultivos de estas bacterias PGPR.

 

Los principales beneficios sobre los cultivos de estas bacterias PGPR:

  1. Incorporan nitrógeno al sistema planta-suelo mediante la fijación biológica de nitrógeno.
  2. Incrementan la captación de nutrientes y agua por parte de la planta mediante la estimulación de su crecimiento radical a través de la producción de hormonas.
  3. Aumentan la disponibilidad de nutrientes que se encuentran en el suelo en formas no asimilables. Solubilizan e incrementa la disponibilidad de determinados nutrientes como fósforo, azufre, sulfatos y hiero que no se encuentra de modo asimilable por la planta.
  4. Tiene efectos como bioestimuladores o fitoestimuladores, que promueven el crecimiento de las plantas usualmente a través de la producción de hormonas,
  5. Actividad antagónica contra agentes fitopatógenos, lo que nos permite utilizarlas como agentes de biocontrol. Este tipo de bacterias tienen efecto como Biopesticidas o bioplaguicidas sobre los cultivos. Como agentes fitopatogénos pueden controlar insectos, hongos de suelo o nemátodos nocivos.

Aplicación y recomendaciones

La cantidad y efectividad de los microorganismos en el producto final formulado está afectada por diferentes factores entre los que se encuentran la genética y fisiología de los propios microorganismos, la composición del medio utilizado para su multiplicación y la tecnología empleada para el secado y preservación de las bacterias (adición de nutrientes y conservadores) en los sustratos.

La presentación comercial de este tipo de inoculante microbianos son: polvos, suspensiones, granulados, líquidos, geles y encapsulados.

Líquido

 

Polvo

 

Encapsulado

Formatos de presentación de los inoculantes microbianos, líquido (1), polvo (2) y encapsulado (3).

 

Las formulaciones líquidas son las que presentan mayor calidad de microrganismos, pero son más fáciles de contaminar por otras bacterias no beneficiosas una vez abierto el envase, al utilizar medios de cultivos genéricos.

Este tipo de bacterianos se emplean en gran número de cultivos de importancia económica, como promotor de crecimiento, como agente de control biológico y como solubilizado de nutrientes.

Cultivos en los que se puede emplear son: hortícolas, cereales, frutales de hueso y pepita, cítricos, vid, plantas ornamentales y de flor, etc. 

Generalmente estos inoculantes bacterianos se pueden utilizar en cultivos ecológicos, sobre todo por su efecto promotor del crecimiento que pueden mejorar los rendimientos de estos cultivos y favorecer su desarrollo, crecimiento y producción. 

La mayor eficacia o no de la aplicación de ciertas bacterias al suelo va a depender de que sean capaces de colonizar la zona radicular de las plantas, y depende de la diferentes composiciones y características de los suelos agrícolas, incluido los propios microorganismos existente en el suelo, que puedan ejercer una competencia con el organismo inoculado, o incluso de las propias condiciones de cultivo. No obstante, los factores más relevantes que podrían estar involucrados son: 

  • Genotipo de bacteria, conservación y forma de aplicación, así de la tolerancia a tóxicos orgánicos del suelo.
  • Tipo de suelo
  • Tipo de cultivo
  • Otros factores como la temperatura, la humedad relativa y época del año.

Las recomendaciones de aplicación (cantidad de biofertilizante por superficie o número de plantas y periodicidad de aplicación) pueden variar según los formatos de aplicación, pero todo depende de la calidad del biofertilizante con bacterias promotoras de bacterias, que deben ser como mínimo de 107 UFC/ml para una inoculación exitosa que perdure en el tiempo. 

La frecuencia depende del establecimiento de la bacteria en el sustrato, suelo o planta, pero es aconsejable repetir la aplicación a lo largo del tiempo, una primera dosis en la siembra y/o trasplante, repetir cada 15 días en el inicio y crecimiento del cultivo y en la fase de producción, sobre todo si hay incidencia de estrés abióticos por condiciones climáticas y salinidad.

Es importante que los suelos agrícolas tengan buen contenido en materia orgánica.

Casos prácticos

Las bacterias del suelo o rizobacterias usan los residuos derivados de materias orgánicas, descomponiéndola mineralizando nutrientes como nitrógeno, fósforo y azufre, principalmente, liberándolo al suelo en formas que pueden ser usadas por las plantas.

Analizando los suelos agrícolas y materias orgánicas podemos identificar un gran número de bacterias PGPR de interés para la producción agrícola, a través del proyecto Bacagro (Producción de bacterias para uso agrícola como mejoradores de la fertilidad del suelo y agentes protectores frente a fitopatógenos RTC-2015-3897-2) se identificaron más de 20 especies de bacterias con efectos promotores del crecimiento vegetativo y con efectos inhibidoras del crecimiento de enfermedades fitopatógenas.

No es solo identificar que tipos de bacterias hay, sino identificar sus efectos y como se pueden aislar y favorecer su crecimiento en suelos carentes de este tipo de microorganismos, además de utilizarlos como inoculantes para mejorar el desarrollo y producción de los cultivos hortícolas.

En concreto el proyecto se centra en la aplicación de bacterias seleccionadas como mejoradores de las propiedades del suelo, movilizando nutrientes o como promotoras del crecimiento vegetal, o bien como agentes supresores de hongos y otros fitopatógenos. 

Una vez identificadas aquellas bacterias PGPR con mayores resultados y que sea factibles de su crecimiento como inoculantes se realizaron varias pruebas en campo, tanto en planta pequeña como en un cultivo en invernadero en condiciones reales de producción. 

Los ensayos se realizaron en la Estación Experimental Cajamar, en diferentes épocas del año y con plantas de pepino tipo Almería y plantas de tomate en semillero. Para ello se utilizaron diferentes invernaderos con clima pasivo.

Figura 4.- Cultivo de pepino en invernadero

Figura 4.- Cultivo de pepino en invernadero.

 

Las bacterias se aplicaron a través del sistema de riego con aplicaciones periódicas cada 15 días desde el inicio de la plantación hasta el final del ciclo productivo. La dosis del producto fue 5 ml de productos final con una concentración de bacterias superior a 108 UFC/ml.

Cuando se aplicaron las bacterias en condiciones reales de producción en invernadero y en un cultivo de pepino, se observó un mayor crecimiento vegetativo, sobre todo en altura de planta, pero no se encontraron diferencias estadísticas entre tratamientos en área foliar, peso seco y fresco de plantas, en cambio en la producción de frutos se encontraron diferencias significativas al final ciclo tanto en la producción comercial y total, que fueron mayores en los tratamientos con bacterias, sobre todo por la mayor cantidad de producción de primera calidad, que fue significativamente mayor en los tratamientos con bacterias respecto al testigo. 

Estas diferencias se acentuaron cuando las condiciones climáticas se hicieron más adversas por baja temperatura, donde se empezó a marcar las diferencias respecto al testigo, es decir, cuando las plantas se sometieron a estrés por baja radiación y temperatura.

Figura 5.- Evolcuión de la producción comercial de un cultivo de pepino para los diferentes tratamientos con bacterias y tratamiento control.

Figura 5.- Evolcuión de la producción comercial de un cultivo de pepino para los diferentes tratamientos con bacterias y tratamiento control.

Gráfico 1

 

Figura 6.- Valores de producción comercial, total y por categorías de un cultivo de pepino para los diferentes tratamientos de bacterias y control.

 

Este mayor desarrollo vegetativo puede estar relacionado con el mayor desarrollo radicular de las plantas, como se observó el cultivo de tomate en semillero, donde hubo en general un mayor desarrollo radicular en las plantas sometidas a los diferentes tratamientos con bacterias respecto al tratamiento testigo.

En algunas zonas agrícolas de España el uso continuado de agroquímicos ha degrado el suelo reduciendo los rendimientos de los cultivos por incremento de la salinidad, perdida de estructura y erosión, debido principalmente por la pérdida de microbiota del suelo. 

Además, unido a calidad del agua de riego cada vez con mayores problemas por salinidad, nitratos, etc., y el aumento de los costes en los últimos años, está provocando que los agricultores necesiten soluciones más eficientes y sostenibles.

Se planteó el utilizar ciertas bacterias aisladas como inoculantes en suelos de determinados cultivos, con los objetivos de mejorar y aumentar la calidad de la cosecha, pero también analizar la reducción de insumos, mejora del estado nutricional y bioprotección de las plantas, así como mejorar la sostenibilidad ambiental mediante la reducción de la contaminación de los acuíferos y emisiones de gases efecto invernadero.

En varios cultivos de cítricos (Naranja Valencia Late y Mandarina Tangold) y en aguacate (variedad Hass) localizados en varias localidades de Valencia, durante los últimos años se han aplicado bacterias PGPR aisladas realizado por los técnicos de la empresa Simat Agricola.

Los suelos de estos cultivos tienen bajo contenido en materia orgánica con pH elevados y con alto nivel de caliza, lo que conlleva a interacciones negativas y bloqueos de determinados nutrientes. El agua de riego es de procedencia subterránea con altos niveles de nitratos. Se planteo como estrategia reducir el aporte de Nitrógeno, aportando solo 30 % de las necesidades de nitrógeno por parte de los cultivos, ya que el agua de riego tiene altos niveles de nitrógeno en forma de nitratos. 

Las bacterias se aplicaron a través del agua de riego, y se hicieron cuatro aplicaciones en etapas de desarrollo de los cultivos:

  • Floración
  • Caída de los pétalos
  • Engorde del fruto 
  • Cambio de color. 

En general, los resultados que se obtuvieron principalmente fueron de un ahorro de fertilizantes nitrogenados, de media 30 %

El estado de los cultivos mejoró con un incremento de la cosecha tanto en calidad como calibre, lo que determinó en poscosecha una mejor conservación. 

En el caso de mandarina hubo 21 kg mas de producción por árbol, con frutos de mayor calibre, respecto a los frutos de los árboles, donde no se aplicaron bacterias en suelo. En el caso del aguacate variedad Hass, se encontraron resultados similares con 8 kg más de producción por árbol y frutos de mayor calibre.

Las plantas presentaron una mayor tolerancia al estrés, fueron capaces de producir más fotoasimilados, siendo más eficiente en el consumo de agua, hubo menos frutos con fisiopatías en los árboles, donde se aplicaron las bacterias. No se encontraron síntomas por enfermedades en los árboles donde se aplicaron las bacterias.

Al aumentar los rendimientos de la producción de frutos y menores aportes de fitosanitarios y fertilizantes, se determinó un incremento en los beneficios. El coste de fertilizantes en algún cultivo llegó a una reducción del 73 %

La implementación y desarrollo de las bacterias en la zona radicular es fundamental para un mayor efecto de la acción bioestimulante en los cultivos, de modo que si la actividad de las bacterias es mayor puede desencadenar mayor crecimiento radicular y vegetativo, lo que puede determinar una mayor producción. 

En conclusión, el uso de bacterias beneficiosas del suelo nos proporcionó un mayor crecimiento vegetativo y radicular de las plantas de tomate y pepino, lo que determinó una mayor producción comercial de pepino en condiciones normales de producción, posiblemente por la mayor disponibilidad de nutrientes en la solución del suelo y/u otros factores relacionados por la acción de las bacterias en el ecosistema.

Las bacterias utilizadas en los diferentes ensayos se han determinado como promotoras del crecimiento de las plantas (PGPR)

Las bacterias PGPR pueden utilizarse como microorganismos supresores de enfermedades en plantas, mejorando la salud de las mismas. Estos resultados aportan un punto de partida para explotar comercialmente PGPR como biofertilizantes para uso agrícola

En todo caso el proceso propuesto ofrece una alternativa sostenible a la mejora de los cultivos hortícolas mediante sistemas biológicos.

Por tanto, el control de las poblaciones de nematodos en los suelos agrícolas con productos de origen bacteriano es factible, llegando a reducir las poblaciones en el suelo en porcentajes elevados, con respecto al no control de los mismos, siendo respetuosos con el resto de los microorganismos del suelo y medio ambiente. Aunque no se erradicó el problema de los nematodos en el suelo, si se reduce su incidencia en las raíces de las plantas.

Agradecimientos

  • Proyecto Retos-Colaboración (Bacagro, RTC-2015-3897-2) que está liderado por la empresa Biorizon Biotech, S.L., a través del Programa Estatal de Investigación, Desarrollo e Innovación Orientada a los Retos de la Sociedad.
  • Empresas Simat Agrícola S.L. y Biorizon Biotech, S.L.

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21 noviembre 2022
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