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Cuaderno Nº 87  

Los microorganismos del suelo y la biotecnología en la agricultura
  El suelo constituye un sistema complejo que alberga una gran riqueza de microorganismos, los cuales establecen relaciones muy variadas y contribuyen a conformar las características propias del suelo, participan en los ciclos del carbono, nitrógeno, oxígeno, azufre, fósforo, hierro y otros metales; aportan a la fertilidad del suelo y a la degradación de compuestos xenobióticos (cuya estructura química en la naturaleza es poco frecuente o inexistente debido a que son compuestos sintetizados por el hombre). Además, el crecimiento de las plantas está condicionado por una amplia gama de microorganismos que viven en el suelo, alrededor de las raíces vegetales. Dentro del amplio grupo de microorganismos beneficiosos, tanto para cultivos agrícolas como forestales, se pueden diferenciar:

los que solubilizan o incrementan la absorción de nutrientes, aumentando la fertilidad del suelo y estimulando el crecimiento vegetal, 
los que protegen a la planta o evitan el ataque de patógenos

Estos, a su vez, pueden ser:

bacterias de vida libre o simbióticos que fijan nitrógeno  
hongos micorrícicos que se asocian con las raíces de plantas vasculares.

Actualmente se manifiesta una tendencia a favor del ambiente en cuanto a la reducción del uso de fertilizantes químicos y plaguicidas en general, y una mayor sensibilización social sobre el potencial riesgo de su empleo indiscriminado. Esto ha abierto nuevas perspectivas en el empleo de productos biológicos para el manejo integrado de la agricultura, sobre todo en la protección de cultivos (biocontrol) y como fertilizantes “amigos” del medioambiente (biofertilizantes). En tal sentido, diferentes empresas e institutos de investigación vienen trabajando en el estudio de los microbios del suelo (microbiota), y en la compleja interacción planta-microorganismo. La integración de técnicas de estudio de la microbiología tradicional, junto con metodologías moleculares, incluyendo los avances en las técnicas de genómica, contribuirá a un mejor conocimiento del funcionamiento de las comunidades microbianas del suelo con el consiguiente potencial de aplicación biotecnológica.
 
La fijación del nitrógeno

El nitrógeno es fundamental para la vida de las plantas. Pero, a pesar de encontrarse en gran cantidad en forma libre en la atmósfera (N2), su disponibilidad para las plantas es limitada ya que no es fácilmente asimilable por los organismos. Por eso, la agricultura
depende en gran medida del uso de fertilizantes químicos para mantener altas producciones agrícolas.
El proceso de fijación del N2 atmosférico, es decir, la reacción del N2 con otros elementos para formar un compuesto químico que lo contenga, puede lograrse mediante métodos químicos y métodos biológicos:  
Métodos químicos: la fijación puede ocurrir por procesos químicos espontáneos, como la oxidación que se produce por la acción de los rayos, que forma óxidos de nitrógeno que, al reaccionar con el agua de lluvia, origina ácido nítrico. Este ácido reacciona con el amoníaco (NH3) del aire para producir nitrato de amonio (NO3NH4). De esta forma mediante las precipitaciones llega al suelo una modesta cantidad de nitrógeno.
Métodos biológicos: algunos microorganismos procariotas (bacterias y cianobacterias) tiene la capacidad de atrapar y aprovechar el nitrógeno de la atmósfera, es decir, de llevar a cabo el proceso de fijación biológica de nitrógeno (FBN). La manera de usar el nitrógeno (N2) de la atmósfera es llevar a cabo una reacción química donde se rompen los enlaces entre los átomos de nitrógeno (N) y se incorporan átomos de hidrógeno para fabricar amoníaco (NH4+), un compuesto que los organismos sí son capaces de procesar metabólicamente. Las bacterias fijadoras de nitrógeno poseen una enzima llamada nitrogenasa, que es la encargada de la ruptura del triple enlace del nitrógeno molecular y de la formación de amoníaco
Los procesos naturales de fijación biológica del N2 juegan un papel importante en el desarrollo de sistemas sustentables, agronómica y ambientalmente.

La fijación de nitrógeno origina compuestos solubles a partir de N2, y la denitrificación devuelve N2 a la atmósfera (donde constituye el 79% del aire atmosférico).
Los autótrofos reducen el nitrógeno oxidado que reciben como nitrato (NO3–) a grupos amino en el proceso de asimilación. Para volver a contar con nitrato hace falta que los descomponedores lo extraigan de la biomasa dejándolo en la forma reducida de ion amonio (NH4+), proceso que se llama amonificación. Luego el amonio es oxidado a nitritos y nitratos, en el proceso de nitrificación.

Fuente: Imagen traducida extraída de http://www.epa.gov/maia/html/nitrogen.html 

Microorganismos fijadores de nitrógeno atmosférico
Existen diferentes tipos de microorganismos procariotas fijadores de N2 que se los puede clasificar en: fijadores libres, fijadores asociados y fijadores simbióticos.

• Fijadores libres
Ciertas bacterias y algunas especies de algas verdeazules (cianobacterias) que se desarrollan independientemente tienen la habilidad de fijar el N2 atmosférico en sus células, sin estar necesariamente asociados a otro organismo. Las cianobacterias crecen sobre rocas y sedimentos en las costas de los cursos de aguas, y fijan N2 y lo liberan al medio. Otro ejemplo son las bacterias del género Clostridium, ampliamente distribuidas en suelos y aguas salinas, sedimentos, intestinos o heces, y la bacteria Azotobacter, presente en suelos alcalinos.

• Fijadores asociados

Los fijadores asociados son aquellos organismos que pueden fijar N2 en lugares donde la concentración de oxígeno es muy baja. Un caso es el de bacterias asociadas a raíces de gramíneas o pastos. Estas bacterias se denominan epífitas y colonizan preferentemente la zona del suelo circundante de la raíz, llamada rizosfera, donde aprovechan azúcares y otros compuestos exudados por la planta para fijar ciertas cantidades de N2 que eventualmente son asimiladas por las plantas. Ejemplos de estas bacterias son las diferentes especies de Azospirillum asociados a raíces de trigo y maíz.
Otras asociaciones se dan con bacterias endofitas que penetran y viven en el interior de gramíneas. En general, estas bacterias colonizan espacios intercelulares y se mueven por los vasos del xilema pero no penetran en las células por lo que no puede hablarse de simbiosis. Entre ellas están el Acetobacter y Herbaspirillum que son endofitas de la caña de azúcar y las bacterias del género Azoarcus capaces de invadir las raíces de arroz.
Además de lograr la ganancia de N2 por las plantas, estos microorganismos en determinadas condiciones solubilizan fosfatos y sintetizan sustancias estimuladoras del crecimiento vegetal, tales como, vitaminas, ácido indolacético, ácido giberélico o  citoquininas. De allí que estas bacterias se conozcan como “promotoras del crecimiento vegetal”. Además, estos microorganismos son capaces de sintetizar sustancias fungistáticas que, al inhibir el crecimiento de los hongos del suelo que afectan a las plantas, promueven indirectamente el desarrollo de las plantas, especialmente en las etapas tempranas del cultivo. Estos compuestos tienen acción sobre hongos pertenecientes a los géneros Fusarium, Alternaria, Penicillium y Rhizoctonia, y cobran importancia para ser usados en planes de control biológico de patógenos (biocontrol).

• Fijadores simbióticos
Estos microorganismos se dividen en dos grupos principales:
1)Las bacterias genéricamente llamadas Rhizobium que se asocian con un grupo muy grande de plantas leguminosas (chaucha, arveja, poroto, maní, lenteja, soja);
2)Las bacterias genéricamente denominadas Frankia, capaces de asociarse con más de 250 especies de plantas no leguminosas, denominadas plantas actinorrícicas. Esta asociación tiene gran importancia ecológica, ya que las especies actinorrícicas colonizan suelos pobres en nitrógeno.
Existen otras asociaciones simbióticas como las formadas entre plantas vasculares y cianobacterias (algas verdeazules). Otra simbiosis muy importante es la de Azolla y Anabaena; muy aprovechada para cultivos de arroz.

El caso de simbiosis Rhizobium-leguminosas

Foto adaptada de: http://faculty.abe.ufl.edu/~chyn/age2062/lect/
lect_12/symbo2.gif

Aunque hay diversas asociaciones que contribuyen a la fijación biológica del N2, en la mayoría de los agroecosistemas el 80% del nitrógeno fijado biológicamente ocurre a través de la simbiosis Rhizobium-leguminosas.  Esta asociación se produce a través de un proceso de reconocimiento específico entre la bacteria y la raíz de la planta. Esto determina el éxito de la asociación simbiótica. El análisis genético de la bacteria Rhizobium ha permitido identificar más de 30 genes cuya función es necesaria para el desarrollo de un nódulo fijador de N2, y que no se necesitan para el desarrollo propio de la bacteria.
La asociación se inicia con el proceso de infección, cuando las bacterias son estimuladas por los exudados radicales y proliferan. Esto induce un alargamiento y arqueado de los pelos radicales y posterior formación de una estructura tubular por donde Rhizobium es conducido hasta la base del pelo. Luego atraviesa la pared de la célula cortical, se establece y se engloba por la membrana plasmática de la célula vegetal, lo que resulta en la formación del nódulo. Allí, en los nódulos radiculares, las bacterias encuentran un ambiente que las protege suficientemente del oxígeno como para poder producir la enzima nitrogenasa que reduce el N2 molecular del aire a amonio.
Los dos simbiontes, planta y bacteria, se benefician. Las bacterias reducen N2 a amonio (NH4), el cual es exportado al tejido vegetal para su asimilación en proteínas y otros compuestos nitrogenados. Por su parte, la glucosa fabricada durante la fotosíntesis es transportada a la raíz donde los bacterias la usan como fuente de energía.

Aplicaciones de las bacterias fijadoras de nitrógeno y promotoras del crecimiento
El reconocimiento de la fijación biológica del N2 puede remontarse a 300 años antes de Cristo cuando los romanos utilizaban la rotación de cultivos con leguminosas en sus prácticas agrícolas. En la actualidad, además de la rotación de cultivos, se emplean
microorganismos como biofertilizantes, y se aplican métodos de biocontrol para proteger a las plantas contra el ataque de patógenos, plagas y malezas.

Biofertilizantes
A pesar de que Rhizobium es un habitante común en los suelos agrícolas, frecuentemente su población es insuficiente para alcanzar una relación benéfica con la leguminosa, o la cantidad de N2 que fijan no resulta suficiente. En estos casos, es posible inocular la semilla con microorganismos para asegurar la fijación biológica del N2. El proceso de inoculación consiste en agregar a las semillas, antes de la siembra, una mezcla de bacterias fijadoras y otros ingredientes que facilitan el crecimiento de las mismas.
El empleo de inoculantes de Rhizobium en las leguminosas es una de las contribuciones más importantes de la microbiología a la agricultura. Estos inoculantes favorecen la fijación simbiótica de nitrógeno y, en consecuencia, disminuye la dependencia a los fertilizantes nitrogenados y la contaminación ambiental por nitrógeno asociada al empleo de estos productos. Lo ideal es seleccionar un Rhizobium altamente infectivo y efectivo para lograr una disminución máxima del fertilizante nitrogenado sin reducir el rendimiento de la leguminosa.
En la Argentina existen varias empresas e institutos públicos que trabajan en investigación y desarrollo de inoculantes. Los objetivos de estas investigaciones son básicamente:
1)Mejorar la eficiencia de fijación de nitrógeno mediante el uso de bacterias muy competitivas.
2)Desarrollar bacterias fijadoras más eficientes y competitivas. También se investiga sobre la obtención de cepas bacterianas con genes capaces de mejorar las limitaciones que presenta el proceso de simbiosis y de fijación de nitrógeno.
3)Extender las ventajas de la simbiosis a otros cultivos (arroz, maíz, etc.). En los cereales, por ejemplo, se intenta inducir estructuras similares a los nódulos de leguminosas. Se han realizado experimentos de transferencia de genes inductores de nodulación a plantas de arroz y se ha observado que se expresaban en las raíces de las plantas transgénicas obtenidas.

Biocontrol
Los métodos de biocontrol buscan proteger a las plantas de los patógenos mediante el uso de agentes biológicos, como microorganismos. Su mecanismo de acción puede ser la competencia nutricional con el patógeno, o por la inducción de resistencia restringiendo
la penetración del patógeno en la planta, optimizando su defensa, o bien por la producción de antibióticos, ácido cianhidrico, etc. efectivos contra enfermedades fúngicas.
Desde el punto de vista histórico, Azotobacter es el microorganismo que de una forma más amplia ha sido utilizado en la agricultura. Las primeras aplicaciones de estas bacterias datan de 1902, alcanzando una amplia utilización durante las décadas del 40, 50 y 60, particularmente en los países de Europa del Este. La aplicación práctica de la inoculación de este microorganismo ha sido positiva, observándose notables incrementos en los rendimientos en diferentes cultivos, principalmente en cereales.
De entre las rizobacterias usadas en biocontrol, Pseudomonas fluorescens es de las más conocidas. También las bacterias Bacillus y Streptomyces han resultado muy eficaces en el control de enfermedades. Estas bacterias producen una amplia gama de metabolitos con capacidad antimicrobiana.
El Bacillus thuringiensis (BT) es un agente de biocontrol que representa el 90% del mercado mundial de bioinsecticidas. En los estadíos de esporulación produce unos cristales constituidos por proteínas (endotoxinas) dotadas de propiedades insecticidas. Esas endotoxinas forman parte de formulaciones comerciales de bioinsecticidas. Se han obtenido plantas transgénicas (como el maíz BT) que contienen el gen que codifica para endotoxinas, resistentes al ataque de los insectos. Es decir que la misma planta produce el insecticida específico, lo que reduce la necesidad de empleo de productos químicos insecticidas.
Actualmente, cerca de 40 productos están disponibles en el comercio para el control de organismos fitopatógenos. La mayoría de estas bacterias producen antibióticos como mecanismo de control de la enfermedad, pero se sigue investigando con el fin de diseñar nuevos productos para el control biológico de patógenos en la agricultura. Por lo general, las mezclas de cepas nativas, y la generación de cepas genéticamente modificadas en las que se acelera la producción de metabolitos antimicrobianos, son las dos estrategias más atractivas para mejorar la capacidad de las bacterias como agentes de biocontrol.

La micorriza, una asociación entre hongos y plantas
Ciertos hongos del suelo desarrollan interacciones benéficas, como es la asociación mutualista llamada micorriza, que establecen con las raíces de las plantas vasculares.
Esta asociación se ha registrado en el 90% de las plantas terrestres. Los distintos tipos de micorrizas se pueden clasificar en ectomicorrizas  y endomicorrizas, según la relación de las hifas del hongo con las células de las raíces del hospedador.
En las ectomicorrizas el hongo invade la raíz sin entrar en el interior de las células. Por el contrario en las endomicorrizas el micelio penetra en el interior de las células radicales. Este último tipo de micorrizas es muy frecuente y está extendido en todo el planeta. Se la encuentra en la mayoría de los árboles de las zonas tropicales y algunos árboles de bosques templados, como el arce y el fresno, y algunas coníferas como la araucaria. La mayoría de las plantas arbustivas y herbáceas también poseen este tipo de asociación, y casi la totalidad de las plantas cultivadas.
Un tipo particular de endomicorriza, la micorriza arbuscular, es la más abundante en los sistemas tropicales. El efecto positivo se puede observar en la planta hospedadora al incrementarse su reproducción, supervivencia y producción de biomasa. El hongo se introduce en la raíz de la planta hasta llegar al interior de una célula vegetal, donde un filamento del hongo (hifa) se ramifica formando estructuras semejantes a arbolitos (arbúsculos) dentro de la célula o formando vesículas. Dichos hongos actúan como extensiones del sistema radical (existe una conexión continua entre el suelo y el interior de la planta) y facilitan la toma de agua y nutrientes poco disponibles por su baja solubilidad. Por otro lado, protegen a las plantas contra estrés hídrico y patógenos del suelo y otorgan ventajas competitivas con otras plantas.
En la simbiosis micorriza-planta, al igual que en la simbiosis Rhizobium-leguminosa se pone de manifiesto un intercambio de señales entre los simbiontes de reconocimiento y aceptación mediados por la expresión de genes.
Actualmente la preparación de inoculantes comerciales de micorrizas está limitada por la imposibilidad de cultivar estos hongos simbiontes obligados en laboratorio. Es por ello que las mismas raíces de plantas micorrizadas mezcladas con la tierra donde crecen, constituyen la mejor fuente que se utiliza para inocular nuevas plantas.
La investigación básica podría proveer de nuevas herramientas para producir inoculantes en mayor cantidad, con adecuados controles de calidad y con mayor capacidad infectiva y de colonización

Los beneficios de las asociaciones
En presencia de simbiosis:

los cultivos agrícolas necesitan menor adición de fertilizantes ya que se aprovechan mejor los nutrientes del suelo; en promedio se reduce la adición de fertilizante en 25% y de fósforo en 50%.
La reducción del uso de fungicidas y bactericidas es también importante, considerando que la planta es menos susceptible a infecciones.
Aumenta la calidad y cantidad de flores o frutos ya que la planta ha tenido una inducción en su crecimiento.

La microbiología del suelo en la era de la biotecnología moderna

En los últimos 20 años, investigadores en todo el mundo, han realizado numerosos esfuerzos con el fin de hacer más eficiente la fijación de N2 en la simbiosis Rhizobium-leguminosa. La integración de técnicas de estudio de la microbiología tradicional, junto con metodologías moleculares, incluyendo los avances que suponen las técnicas de genómica contribuirá a un mejor conocimiento del funcionamiento de las comunidades microbianas del suelo. A su vez, los estudios sobre la bioquímica de las asociaciones microbianas, han abierto un nuevo horizonte que está cambiando la percepción de la diversidad microbiológica. Por otro lado, la ingeniería genética tiene un enorme potencial para mejorar la eficiencia de los inoculantes en la inducción de simbiosis y mejorar el proceso de fijación o la capacidad de las plantas para asimilar nitrógeno.
Las secuencias genómicas permiten realizar estudios comparativos entre rizobios, así como entre bacterias fijadoras y no fijadoras de nitrógeno. Es posible analizar genes funcionales clave en procesos importantes en suelo tales como la desnitrificación, nitrificación y fijación de nitrógeno. También se puede determinar la diversidad de estos genes en diferentes suelos o diferentes condiciones.
Uno de los principales objetivos actuales es determinar la función que cumplen los diferentes microorganismos y las interacciones planta- microorganismo. Tanto para bacterias como para plantas asociadas, la construcción de microarreglos (microarrays o chips) de ADN está permitiendo abordar estudios de interacción planta-microorganismo que hasta hace pocos años eran imposibles. (Un microarreglo, microarray o chip de ADN es una serie ordenada de muestras de ADN que se pueden estudiar para determinar patrones en la expresión de los genes transcriptos). El advenimiento de éstas y otras técnicas permitirán afrontar el reto de la biotecnología de la fijación de nitrógeno.


 
 

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