Papel beneficioso que determinados microorganismos rizosféricos del suelo (bacterias, hongos y levaduras) ejercen sobre la adquisición de hierro, fósforo y otros elementos en plantas de arroz

• Autores: Jorge I. Núñez Cano
• Directores de la Tesis: Carlos Lucena León (dir. tes.), Francisco Javier Romera Ruiz (dir. tes.)
• Lectura: En la Universidad de Córdoba (ESP) ( España ) en 2023
• Idioma: español
• Tribunal Calificador de la Tesis: María del Carmen Campillo García (presid.), Vicente Mariscal Romero (secret.), Ricardo Aroca Álvarez (voc.)
• Programa de doctorado: Programa de Doctorado en Ingeniería Agraria, Alimentaria, Forestal y del Desarrollo Rural Sostenible por la Universidad de Córdoba y la Universidad de Sevilla
• Materias:
  • Ciencias agrarias
• Enlaces
  • Tesis en acceso abierto en: Helvia
• Resumen

  • 1. Introducción o motivación de la tesis:

    El arroz (Oriza sativa L.) es uno de los cultivos alimentarios más importantes a nivel mundial y una fuente principal de calorías para más de la mitad de la población mundial (Dogara y Jumare, 2014). En el año 2021 se produjeron más de 787 millones de toneladas de arroz a nivel mundial, de las cuales el 90.5% correspondió a Asia, el 5.2% a América y el resto a África, Europa, y Oceanía (FAO, 2021 ). En España se cultiva principalmente en 6 de sus 17 comunidades autónomas, desde la latitud 37 en las Marismas del Guadalquivir (región de Andalucía) hasta la latitud 42 en Navarra y Aragón. Las principales áreas de cultivo de arroz en España se encuentran en zonas sureñas (Marismas del Guadalquivir y Extremadura), seguidas de zonas costeras mediterráneas (Delta del Ebro y Valencia), con las zonas del norte (Aragón y Navarra) rezagadas (Gómez de Barreda et al., 2021). Sin embargo, este cultivo se enfrenta a varios desafíos y problemas que pueden afectar su productividad, sostenibilidad y seguridad alimentaria. Muchos de ellos, como la degradación y erosión del suelo, y el agotamiento de los nutrientes, son producto de las prácticas del monocultivo y el manejo inadecuado del suelo (Lal, 2001 ; Wang, 2022 ). Actualmente, las practicas más comunes de manejo de la nutrición mineral en este cultivo se fundamentan en aplicaciones excesivas o desequilibradas de fertilizantes químicos, lo cual provoca acidificación del suelo (Guo et al., 2010), baja eficiencia en el uso de los fertilizantes (Bouwman et al., 2017) y la contaminación ambiental (Smith y Siciliano, 2015; Xu et al., 2016). Ante esta problemática, se hace necesaria la búsqueda de nuevas estrategias, que contribuyan al uso más eficiente y racional de los fertilizantes químicos. Además, que ayuden a disminuir el grado de dependencia actual de estos productos químicos.

    La rizosfera es una interfaz vital y dinámica en el suelo que rodea las raíces de las plantas, albergando interacciones intrincadas entre las raíces, los microbios del suelo y el entorno circundante (Mendes et al., 2013; Philippot et al., 2013; Pieterse et al., 2014). La mayoría de los nutrientes minerales absorbidos por las plantas se encuentran en la rizosfera, donde interactúan los microbios con una mezcla compleja de aniones de ácidos orgánicos, fitosideróforos (PS), azúcares, purinas, vitaminas, aminoácidos, nucleósidos, iones inorgánicos y otros exudados de las raíces (Dakora y Phillips, 2002). En base a lo anteriormente expuesto, se postula el empleo de microorganismos rizosféricos como una estrategia frente a la nutrición mineral, fundamentalmente de Fe y P, de las plantas de arroz, lo que redundará en una mejora de su desarrollo y productividad.

    2.Contenido de la investigación:

    En esta tesis doctoral se evaluaron las de contribuciones positivas de los microorganismos rizosféricos del suelo Fusarium oxysporum FO12, Pseudomonas simiae (estirpe WCS417) y Debaryomyces hansenii (CBS 767) sobre la adquisición de nutrientes, respuesta a la deficiencia de Fe y P, inducción de genes relacionados con la ruta etileno, crecimiento y producción en plantas de arroz (Oryza sativa L).

    Con la cepa no patógena Fusarium oxysporum FO12 se evalúo su capacidad para inducir respuestas ante la de deficiencia de Fe en plantas de arroz y sus efectos sobre el crecimiento de la planta y la clorosis por Fe. Los experimentos se llevaron a cabo en condiciones de sistema hidropónico. Los resultados muestran que la inoculación de la raíz de las plantas de arroz con Fusarium oxysporum FO12 promueve la producción de PS y el crecimiento de la planta. Genes relacionados con el Fe y la síntesis y señalización del etileno son regulados al alza por Fusarium oxysporum FO12 en ciertos momentos en las plantas inoculadas independientemente de las condiciones de Fe. Este microorganismo también coloniza los tejidos corticales de las raíces.

    Se investiga el efecto de la levadura Debaryomyces hansenii sobre el desarrollo, crecimiento, producción e inducción de mecanismos de respuesta fisiológicos, ante la deficiencia de P en las plantas de arroz. Se establecieron ensayos en macetas con suelo calizo bajo condiciones de invernadero y en hidroponía en cámaras de cultivo. Lo resultados obtenidos muestran que Debaryomyces hansenii logró promover el crecimiento de la planta de arroz mediante el aumento de los niveles de clorofila (SPAD), altura, acumulación de materia seca y en la producción de granos. De igual forma, se observó un aumento en el contenido de Cu, Fe, Zn y Mn en hoja en las plantas que fueron inoculadas con Debaryomyces hansenii en determinadas condiciones de cultivo. Esta levadura induce la actividad de las fosfatasas acidas tanto en condiciones de suficiencia y deficiencia de P. Se pudo ver que genes relacionados con las fosfatasas ácidas y transporte de P tienden a inducirse ante la presencia de Debaryomyces hansenii en algún momento durante el ensayo.

    Finalmente, se estudió el efecto de la estirpe WCS417 de la bacteria rizosférica Pseudomonas simiae y de la levadura Debaryomyces hansenii sobre la producción de PS por las raíces de planta de arroz. Además de la expresión de genes relacionados con la deficiencia de Fe y la señalización del etileno. Los ensayos se realizaron en condiciones de hidroponía en cámaras de cultivo. En los resultados se puede ver que ambos microorganismos inducen una mayor producción de PS por las raíces del arroz en condiciones de deficiencia de Fe. Así mismo, se observa una regulación al alza de ambos microorganismos en los niveles de expresión de genes relacionados con la deficiencia de Fe y la señalización del etileno en algunos momentos durante el ensayo.

    3.Conclusión:

    Los tres microorganismos han demostrados ciertas cualidades que les permitirían ser utilizados en la fertilización del cultivo del arroz, en aras a conseguir una agricultura más sostenible y respetuosa con el medio ambiente, promoviendo la salud del suelo, reduciendo el impacto ambiental de la agricultura y contribuyendo a la seguridad alimentaria al mejorar el rendimiento y la calidad de los cultivos.

    4. Bibliografía:

    Bouwman, A., Beusen, A., Lassaletta, L., Van Apeldoorn, D., Van Grinsven, H., Zhang, J., & Ittersum Van, M. (2017). Lessons from temporal and spatial patterns in global use of N and P fertilizer on cropland. Scientific Reports, 7(1), 40366.

    Dakora, F., & Phillips, D. (2002). Root exudates as mediators of mineral acquisition in low-nutrient environments. Plant &Soil, 245, 35-47. Food security in a nutrient-stressed environment: exploring plants' genetic capabilities.

    Dogara, M., & Jumare, I. (2014). Origin, distribution and heading date in cultivated rice. International Journal of Plant Biology & Research.

    FAO. (2021). FAOSTAT - Rice. http://www.fao.org/faostat/en/#data/QC Gómez de Barreda, D., Pardo, G., Osca, J. M., Catala-Forner, M., Consola, S., Garnica, I., López-Martínez, N., Palmerín, J. A., & Osuna, M. D. (2021). An overview of rice cultivation in Spain and the management of herbicide-resistant weeds. Agronomy, 11(6), 1095. https://www.mdpi.com/2073-4395/11/6/1095 Lal, R. (2001). Soil degradation by erosion. Land degradation & development, 12(6), 519-539.

    Mendes, R., Garbeva, P., & Raaijmakers, J. M. (2013). The rhizosphere microbiome: significance of plant beneficial, plant pathogenic, and human pathogenic microorganisms. FEMS microbiology reviews, 37(5), 634-663.

    Philippot, L., Raaijmakers, J. M., Lemanceau, P., & Van Der Putten, W. H. (2013). Going back to the roots: the microbial ecology of the rhizosphere. Nature reviews microbiology, 11(11), 789-799.

    Pieterse, C. M. J., Zamioudis, C., Berendsen, R. L., Weller, D. M., Van Wees, S. C. M., & Bakker, P. A. H. M. (2014). Induced Systemic Resistance by Beneficial Microbes. Annual Review of Phytopathology, Vol 52, 52, 347-375. https://doi.org/10.1146/annurev-phyto-082712-102340 Smith, L. E., & Siciliano, G. (2015). A comprehensive review of constraints to improved management of fertilizers in China and mitigation of diffuse water pollution from agriculture. Agriculture, Ecosystems & Environment, 209, 15-25.

    Wang, X. (2022). Managing land carrying capacity: Key to achieving sustainable production systems for food security. Land, 11(4), 484. https://doi.org/10.3390/land11040484 Xu, X., Wu, Z., Dong, Y., Zhou, Z., & Xiong, Z. (2016). Effects of nitrogen and biochar amendment on soil methane concentration profiles and diffusion in a rice-wheat annual rotation system. Scientific Reports, 6(1), 1-13.