Download El uso de microorganismos como biofertilizantes Luis Gabriel WALL

Taller sobre institucionalidad para el desarrollo, regulación y
Comercialización de bioinsumos en Argentina.
31 de julio, 1 y 2 de agosto de 2013, Buenos Aires, Argentina
El uso de microorganismos como biofertilizantes
Estado del arte, desarrollo de productos, beneficios para el agro.
Luis Gabriel WALL
LBMIBS – Departmento de Ciencia y Tecnología,
Universidad Nacional de Quilmes,
CONICET
La microbiología del suelo y el cambio de escenario de
1978 (PGPR) a 1985 (Los Invisibles)
“La anomalía del recuento en placa”
PLACA
DIRECTO
VEMOS MANEJAMOS
vs
1% de lo que existe
© http://microbiologiaybioanalismo.blogspot.com.ar
© www.microbiological-garden.net
Cultivables (1%)
BACTERIAS
No Cultivables (99%)
BIOFERTILIZANTES
?
hay que considerarlo
En 1 gramo de suelo viven 10 MIL MILLONES de
microorganismos
En 1 gramo de suelo hay 1 MILLÓN de funciones diferentes
eso es lo que hace funcionar los suelos
esa es la esencia de la BIOLOGIA del SUELO
en esa realidad insertamos los Biofertilizantes
Los BIOFERTILIZANTES se definen
como
preparaciones
a
base
de
microorganismos vivos que (directa o
indirectamente) aumentan o promueven el
desarrollo de las plantas, en forma relativa
a un control sin inocular.
_ +
+
_
+
_
Los BIOFERTILIZANTES se basan en
asociativos
microorganismos cultivables que pueden
asociarse con las raíces de las plantas en
un gradiente de proximidad e interacción
que pueden clasificarse de este modo:
i)
ii)
simbióticos
iii)
iv)
Microorganismos que viven en el suelo cercano a la
raíz, que utilizan exudados radiculares (Rizosfera)
Microorganismos que colonizan la superficie de la
raíz (Rizoplano)
Microorganismos que colonizan el tejido radicular
habitando espacios intercelulares (Endófitos)
Microorganismos que viven dentro de las células
vegetales en estructuras radiculares particulares
como nódulos (Simbiontes)
BIOFERTILIZANTES
¿Qué hay de nuevo?
En el último documento consenso sobre Biofertilzantes de la
OECD (1995) , 48 de las 51 páginas del mismo se refieren a
simbiosis, describiendo ejemplos de rizobios, Frankia y
micorrizas. Las 3 páginas restantes se refieren a micoorganismos
de vida libre PGPR como “futuros biofertilizantes”
Búsqueda de artículos en AGRICOLA (USDA -NAL) por keyword
Rhizobium
Bradyrhizobium
Mycorrhiza
Rhizobia
Frankia
PGPR
Biofertilizer
PGPB
9951
2543
1708
1639
723
219
94
28
simbioticos
BIOFERTILIZANTES
Micro-simbiontes:
(intracelulares)
Rhizobacterias fijadoras de N2
Simbiosis Rizobio-Leguminosa
Simbiosis Frankia-Plantas actinorhizas
Hongos formadores de Micorrizas
Micorrizas Arbusculares (AMF)
Ectomicorrizas Fungi (EMF)
Gray and Smith, Soil Biology Biochem (2005) 37, 395
Simbosis Rizobio – Leguminosa
NOVEDAD
Fertilización N
LCO – Nod Factors
N2
BACTERIA + SEÑALES
simbiotico
BIOFERTILIZANTES
Flavonoides / Isoflavonoides
Schultze and Kondorosi, Annual Review of Genetics, (1998) Vol. 32: 33-57
Simbiosis
BIOFERTILIZANTES
Rizobio – Leguminosa
Frankia – planta actinorhiza
Infección
Intercelular
Nodulación espontánea
(Madsen et al 2010, Nature communications)
NUEVO ESCENARIO
para
BIOFERTILIZANTES
simbiosis
BIOFERTILIZANTES
Simbiosis Planta – Hongo micorrícico (HMA)
Fertilización en N, P, y otros nutrientes, AGUA
LCO de HMA
Denarié et al, 2011, Patent US
ECTO
Cultivable
Específica
Árboles
ENDO
Menos específica
Muchas plantas
Cultivo in vitro (ROC)
MyC LCO Estimula la
simbiosis MA y la formación
de raíces laterales
Futuros Nuevos Inóculos (?)
asociativo
BIOFERTILIZANTES
Vida Libre / No-simbioticos
(extracelular)
PROMOTORES DE CRECIMIENTO
Plant Growth Promoting Rhizobacteria (PGPR)
(Kloepper and Schroth, 1978)
Plant Growth Promoting Bacteria (PGPB)
Biocontrol-PGPB
(Bashan and Holguin, 1998)
Plant Stress Homeotasis-Regulating Bacteria (PSHB)
(Cassan et al 2009)
Gray and Smith, Soil Biology Biochem (2005) 37, 395
asociativO
BIOFERTILIZANTES
PROMOTORES DE CRECIMIENTO (PGPR)
Plant Growth Promoting Bacteria (PGPB)
Efectos DIRECTOS
sobre la planta por diferentes mecanismos
(Kloepper and Schroth, 1978; Glick et al 2000, Lugtenberg and Kamilova 2009,
Bashan and Bashan 2010, Verma et al 2010, Richardson and Simpson 2011)
Plant Stress Homeostasis-Regulating Bacteria
(PSHB)
Efectos DIRECTOS / INDIRECTOS
sobre la planta por diferentes mecanismos
(Cassan et al 2009, Bashan and Bashan 2010)
Géneros: Azospirillum, Bacillus, Pseudomonas, Enterobacter, Erwinia, Caulobacter,
Serratia, Arthrobacter, Micrococcus, Flavobacterium, Chromobacterum, Agrobacterium,
Hyphomycrobium, Gluconacetobacter, Herbaspirillum, Actinobacter, Pantoea…
asociativo
BIOFERTILIZANTES
PROMOTORES DE CRECIMIENTO (PGPR)
Fijación de N2 por PGPR
N2 + 8 H+ + 8 e− → 2 NH3 + H2 / GS-GOGAT
(Crecimiento en medio sin N / ARA / nif)
15N
dilución isotópica
15N ensayos de enriquecimiento de atmósfera
2
Mutantes Glutamina Sintetasa (GS) son mejores PGPR
que las cepas parentales. (Van Domelen et al 2009)
NOTA: Los resultados son variables y a veces contradictorios que
apoyan o rechazan la hipótesis de la fijación de N2 como el factor
principal de promoción de crecimiento de las plantas inoculadas
asociativo
BIOFERTILIZANTES
PROMOTORES DE CRECIMIENTO (PGPR)
Disponibilidad de Fósforo mediada por PGPB
Rhichardson and Simpson (2011) Plant Physiol 156, 989)
asociativo
BIOFERTILIZANTES
PROMOTORES DE CRECIMIENTO (PGPR)
Disponibilidad de Fósforo mediada por PGPB
MINERALIZACIÓN de P orgánico
Fosfatasas
Fitasas
Fosfolipasas
Las bacterias son piezas claves en esta transformación
es parte del proceso de transformación de la materia orgánica?
existe competencia entre las plantas y las bacterias por el P?
Actividades Enzimáticas in vitro
asociativo
BIOFERTILIZANTES
PROMOTORES DE CRECIMIENTO (PGPR)
Disponibilidad de Fósforo mediada por PGPB
SOLUBILIZADORAS de FÓSFORO
Habilidad de los cultivos para solubilizar el P inorgánico por acidificación del
medio debido a la liberación de ácidos orgánicos
asociativo
BIOFERTILIZANTES
PROMOTORES DE CRECIMIENTO (PGPR)
Estímulo del desarrollo radicular junto con el
estímulo en la absorción de agua y minerales
_
Photo: B. Glick
+
General improvement of root growth,
including root hairs is the most
common phenotypical effect of
inoculation with PGPB.
It is likely that water and mineral
uptake is improved in inoculated
roots but the mechanism is not
completely clear. Change in hormone
balance, enhancement of proton
efflux
activity
extrusion,
and
modification in a wide range of
related enzimatic activities would be
part of the mechansims. Most data is
descriptive.
asociativo
BIOFERTILIZANTES
PROMOTORES DE CRECIMIENTO (PGPR)
Fitohormonas
AUXINAS (IAA, IBA, …)
Algunas bacterias producen grandes
cantidades de AIA in vitro, y a esto se le
atribuyen los efectos de promoción de
desarrollo en las plantas.
SIN EMBARGO la produción in planta
aún no a sido demostrada.
No existen mutantes AIA de las
bacterias, pero mutantes atenuados en
la producción de AIA son inefectivos
como PGPR, comparados con la cepa
parental. La aplicación exógena de AIA
mimetiza el efecto de las PGPR.
asociativo
BIOFERTILIZANTES
PROMOTORES DE CRECIMIENTO (PGPR)
Fitohormonas
GIBERELINAS
A1
Algunas PGPR producen Ags in vitro
y también ha sido demostrado in
planta (por complementación de
mutantes de arroz deficientes en
citoquininas al ser inoculados con
estas PGPRs)
PGPR productoras de AG estimulan
el podergemrinativo.
Los resultados In vitro apoyan la
hipótesis que los efectos PGPR
serían una combinación de
producción de AG y de
desconjugación de los ésteres PGPB
asociativo
BIOFERTILIZANTES
PROMOTORES DE CRECIMIENTO (PGPR)
Fitohormonas
CITOQUININAS
(Zeatin)
Las citoquininas representadas por kinetina,
zeatina, y 6-benzilaminopurina ocurren in
planta, mientras que las citoquininas se
producen en medios definidos.
NO está aún claro el rol de las citoquininas en
el desarrollo de las pantas, PERO, las bacteras
productoras de citoquininas in vitro estimulan la
nodulacion en leguminosas inoculadas con
rizobios. Más aún, algunas leguminosas
modelo como Aeschinomene tienen una
nodulación independiente de factores Nod
(Giraud et al, 2007), probablemente mediada
por la citoquinina rizobiana . Esta área necesita
mayor atención.
associative
BIOFERTILIZANTES
PROMOTORES DE CRECIMIENTO (PGPR)
Fitohormonas
Una actvidad promotora del crecimiento
vegetal estaría mediada por NO en A.
brasilense Sp245 induciendo cambios
morfologicos en raíces de tomate,
independientemente de la capacidad
completa de las bacterias de sintetizar
AIA. NO es como un elemento intermedio
en la síntesis de AIA en la obtención de
las condiciones de vida para migrar a
Venezuela
asociatioe
BIOFERTILIZERS
PROMOTORES DE CRECIMIENTO (PGPR)
Volátiles
Oxido Nitrico (NO)
An NO dependent promoting activity in A.
brasilense Sp245 induces morphological
changes in tomato roots regardless of the
full bacterial capacity for IAA synthesis.
NO is as an intermediary in IAA-induced
root development (Correa-Aragunde et
al., 2004, 2006)
asociativo
BIOFERTILIZANTES
PROMOTORES DE CRECIMIENTO (PGPR)
Volátiles
2,3-butanediol
Algunas rhizobacterias, como cepas de B.
subtilis, B. amyloliquefaciens, y Enterobacter
cloacae, promueven el desarrollo vegetal por
la liberación de volátiles como 2,3-butandiol y
acetoina.
Mutantes de B. amyloliquefaciens IN937a
y B. subtilis GB03, bolqueados en la síntesis
de estos compuestos , fueron inactivos en la
promoción de desarrollo de plantas
acetoin
associative
BIOFERTILIZANTES
PROMOTORES DE CRECIMIENTO (PGPR)
Fitohormonas / Precursores
ETILENO
El etileno juega un importante rol en la
ruptura de la dormancia de semillas
Su mayor efecto es sobre senesencia
en plantas
La inserción del gen de la ACCdeaminasa en Azospirillum aumentó
el desarrollo de la planta
ACC
associative
BIOFERTILIZANTES
PROMOTORES DE CRECIMIENTO (PGPR)
Fitohormonas / Precursores
ETILENO / ACC Deaminasa
Plant
PGPB
ACC
ETHYLENE
Glick, 2007
STRESS
RESPONSE
ACC
ACC
Deaminase
NH4 +α-Ketobutirate
associative
BIOFERTILIZANTES
PROMOTORES DE CRECIMIENTO (PGPR)
Fitohormonas
(producida in vitro, no demostrado in planta)
POLYAMINES
La aplicación de cadaverina
mitiga el estrés osmótico e arroz
(CADAVERINE)
Asociativo + simbótico
BIOFERTILIZANTES
Bacterias Helper (simbionte+helper+planta)
Actinomicetes rizosféricos : Streptomyces, Actinoplanes, Micromonospora
Plants: Discaria, Alfalfa, Lotus, Soybean
Sym
Help
Sym+Help NEG
Sym
Solans M, 2007
Solans et al, 2009
Help
Sym+Help NEG
NEGRO (N < 1ppm)
GRIS (inhibición por N 100ppm)
asociativoe
BIOFERTILIZANTES
PROMOTORES DE CRECIMIENTO (PGPR)
Fitohormonas
Efecto sobre
arquitectura de raíz y
su desarrollo
(reducido)
Estrés
Ambiental
Hipótesis aditiva
Aumento de la
toma de agua y
nutrientes
Disponibilidad
de Fósforo
Fijación de N2
Mecanismos
de controles
múltples
BIOFERTILIZANTES
PGPR en el ambiente rizosférico
PLANTA
PGPR
BIOFERTILIZANTES
PGPR en el ambiente rizosférico
PGPR
PLANTA
Microorganismo(s) 2-n
BIOFERTILIZANTES
PGPR en el ambiente rizosférico
PGPR
PLANTA
Microorganismos 2-n
asociativo
BIOFERTILIZANTES
PGPR en el ambiente rizosférico
PGPR
asociativo
BIOFERTILIZANTES
PGPR en el ambiente rizosférico
MICROBIAL
PGPR
COMMUNITY
STRUCTURE
asociativo
BIOFERTILIZANTES
PGPR en el ambiente rizosférico
MICROBIAL
COMMUNITY
STRUCTURE
PGPR
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