Desarrollo de bioestimulantes

para la agricultura

Dr. Ali Asaff Torres

Centro de investigación en alimentación y desarrollo A.C. (CIAD), Km 0.6

carretera a La Victoria S/N, Hermosillo, Sonora, 83304, México; asaff@ciad.mx

Innovak Global, Blvd. Vicente Lombardo Toledano 6615, Chihuahua-

Chihuahua, 31375, México; aasaff@innovakglobal.com

Bioestimulantes para la agricultura2

No son un nuevo concepto, en general se refieren a diversas

sustancias y microorganismos que sin ser fertilizantes, tienen la

capacidad de promover el crecimiento de las plantas y/o mejorar su

metabolismo (Zhang and Schmidt, 1997).

E. E. Albregts, C. M. Howard, and Craig Chandler. (1988). Effect of biostimulants on fruiting of

strawberry . Fla. State Hort. Soc. 101:370-372.

R. O. Russo and G. P. Berlyn (1991). Use of organic biostimulants to help low input sustainable

agriculture. J. Sust. Agri. 1: 19-42.

Características de los bioestimulantes3

Para ser reconocido como bioestimulante, una

sustancia o material debe demostrar que

modifica la fisiología de las plantas, haciéndolas

más eficientes en el uso de los recursos

disponibles en el medio ambiente (agua y

nutrientes) o acondiciona las plantas para que

resistan factores abióticos adversos (estrés

hídrico, oxidativo, etc.)

Patrick du Jardin (2012). Informe sobre bioestimulantes EBIC

Las modificaciones fisiológicas resultan en:4

Mejor resistencia

a estrés abiótico

Mejor nodulaciónMejor desarrollo

radicular

Mejor

crecimiento de

brotes

Mejor

rendimiento

Mayor floración y

cuajado

Los microorganismos del suelo5

Microbiota de las raíces es la comunidad dinámica de microorganismos

asociada con las raíces de las plantas donde interactúan una serie de

microorganismos entre los que se incluyen principalmente bacterias y hongos.

Principales microorganismos del suelo6

Bacterias:

tienden a utilizar las fracciones más simples:

-exudados radiculares

-residuos vegetales frescos

La biomasa bacteriana del suelo en los primeros 15 cm de

profundidad es cerca de 4500 kg ha-1 (350-7000 kg ha-1).

Hongos:

también son capaces de utilizar compuestos complejos:

-residuos fibrosos

-madera

-humus

Biomasa de 500-5000 kg ha-1

Algunas definiciones7

Los exudados radiculares proveen un ambiente único para el

desarrollo microbiano y el establecimiento de relaciones mutualistas.

Tipos de relaciones

planta-microorganismo8

Las relaciones entre organismos se clasifican de acuerdo al efecto

que causa un organismo sobre la salud del otro.

• Si el efecto es positivo, se habla de mutualismo.

• Si el efecto es negativo, se habla de parasitismo.

• Si no hay efecto, se habla de comensalismo.

Estas relaciones pueden cambiar dependiendo de la condición de un

organismo y el medio ambiente. Por ejemplo, algunas especies de

hongos fitopatógenos como Colletotrichum, pueden colonizar plantas de

forma asintomática (comensalismo) sin enfermarlas (forma parasítica).

Relaciones mutualistas planta-microorganismo9

En el caso de Azospirillum, además de fijar el nitrógeno favorece el

crecimiento vegetal.

Por ejemplo se encontró que la producción de ácido 3 indol acético

(AIA) por A. brasilense es regulada por los exudados de raíz.

Exu

da

do

s

Exu

da

do

s

AIA

Spaepen S. et al (2008). Plant Soil 312:15-23

Efecto de

Azospirillum en trigo

Dobbelaere, S. (1999). Plant Soil 212: 153–162.

Co

ntr

ol

5 X

10

7

5 X

10

8

10

• Las hifas de micorrizas pueden alcanzar grandes longitudes y el conjunto de estas se

denomina micelio que, en el caso de las micorrizas, asociado a las plantas puede

incrementar hasta 700 veces la superficie activa de la raíz y la absorción de nutrientes.

• En algunos ecosistemas hasta el 80% del nitrógeno y el 90% del fósforo requerido por las

plantas es proporcionado por las micorrizas [van der Heijden et al (2008). Ecology Letters. 11 (3): 296–

310]. A cambio, las plantas pueden destinar entre el 20 al 40% de sus fotosintatos para la

micorrización [Smith and Read (1996). Mycorrhizal Symbiosis (2nd ed.). New York, NY: Academic Press].

Relaciones mutualistas planta-microorganismo

Las relaciones mutualistas

planta-microorganismo11

Los miembros de la comunidad de microorganismos se benefician de los exudados de la

raíz, aunque cada miembro puede formar asociaciones diferentes con diferentes plantas

hospederas o pueden cambiar la naturaleza de sus interacciones por simples cambios en el

medioambiente o la salud del hospedero.

Como se estructuran las comunidades

microbianas12

Existen dos hipótesis [Nemergut et al. (2013). Microbiology and Molecular

Biology Reviews. 77(3): 342–56]:

• La hipótesis de “nichos” que sostiene que todos los

microorganismos están en todas partes pero el medioambiente

(factores bióticos y abióticos) determinan cuales se desarrollan

(la hipótesis más estudiada).

• La otra hipótesis sostiene que procesos neutrales, tales como las

distancias y barreras geográficas para la dispersión, controlan la

estructuración de las comunidades microbianas, en

medioambientes similares.

Factores bióticos para la estructuración13

Lo factores bióticos a considerar son:

• Diferentes especies de plantas promueven el desarrollo de comunidades

microbianas distintas [Dean et al (2014). Molecular Ecology. 23 (6): 1364–78],

probablemente debido a diferencias en el tipo de exudados

radiculares [Broeckling et al (2008). Applied and Environmental Microbiology. 74 (3): 738–

44] y respuestas inmunes específicas de cada hospedero [Kogel et al

(2006). Current Opinion in Plant Biology. 9 (4): 358–63].

• La edad del hospedero y la etapa fenológica del cultivo también

afectan la composición de las comunidades.

• El tipo de vegetación circundante también ha mostrado efectos en la

composición de las comunidades microbianas asociadas a los cultivos

[Dean et al (2014). Environmental Microbiology Reports. 7: 102–110].

Factores abióticos para la estructuración14

Cada especie microbiana responde de manera óptima a diferentes

gradientes de factores medioambientales como [Hardoim et al (2011). FEMS

Microbiology Ecology. 77 (1): 154–64; Tedersoo et al (2012). Molecular Ecology. 21 (17): 4160–

70; Fierer y Jackson (2006). Proc Natl Acad Sci U S A 103:626–631; Lauber et al (2009). Appl

Environ Microbiol 75:5111–5120; Fierer et al (2007). Ecology 88:1354–1364; Fierer et al (2012). Proc Natl

Acad Sci U S A 109:21390–21395; Kuramae et al (2012). FEMS Microbiol Ecol 79:12–24; Pan et al (2014). FEMS

Microbiol Ecol. doi:10.1111/1574-6941.12384]:

• pH

• Humedad

• Temperatura

• Nutrientes (incluyendo oxígeno disponible)

Adicionalmente, también influye:

• La estructura del suelo

Importancia del estudio de las

comunidades microbianas15

Con el advenimiento de nuevas tecnologías, como las que se van a revisar,

se viene dilucidando la gran relevancia que tienen las poblaciones o

consorcios microbianos complejos sobre su entorno. Por ejemplo:

• Se ha encontrado correlación entre la composición de la microbiota

intestinal y enfermedades como el cáncer, diabetes, obesidad, etc.

• La frase “somos lo que comemos” tiene hoy más sentido que nunca a la

luz de los nuevos estudios que relacionan la dieta y la microbiota.

• Nutricionistas y gastroenterólogos de todo el mundo coinciden en admitir

que la estructura y las funciones de la comunidad bacteriana intestinal

puede verse modificada por los alimentos que consumimos.

Importancia del estudio de las

comunidades microbianas16

En plantas, la microbiota de la raíz afecta el estado de salud y la

productividad de los cultivos. Sin embargo, pese a su enorme importancia,

nuestro conocimiento de como se estructuran las comunidades microbianas

está en su infancia [Aleklett and Hart (2013). Plant and Soil. 370 (1–2): 671–86; Nemergut et al.

(2013). Microbiology and Molecular Biology Reviews. 77(3): 342–56].

Esto se debe en parte a:

• Una diversidad de especies muy elevada.

• Una gran cantidad de especies crípticas.

• Conocimiento basado en las especies cultivables [Buée et al (2009). Plant and

Soil. 321 (1–2): 189–212] que debe ser complementado con tecnologías

emergentes.

Técnicas de análisis de la

microbiota del suelo17

Caja de PetriMicroscopio

“Cuenta anómala en placa”

Sólo entre un 3 a 5% es cultivable

• Cuenta en placa.- Mediante el uso de medios selectivos, características macroscópicas

propias de las colonias (forma, color, apariencia, etc.) y otras de carácter microscópico

es posible establecer los tipos de microorganismos y su abundancia en los suelos.

Técnicas de análisis de la microbiota del suelo

18

• Microscopía (epifluorescencia) o citometría de flujo.- El uso de fluoróforos

permiten medir todo tipo de células vegetativas, incluso es posible discriminar

hongos de bacterias. La forma irregular del micelio de hongos y su tamaño

pueden disminuir la precisión de la técnica.

Técnicas de análisis de la

microbiota del suelo19

• qPCR.- Mediante la extracción total del ADN total de los microorganismos del suelo y

la amplificación de regiones conservadas de hongos y bacterias de forma

cuantitativa, permite establecer la biomasa total de hongos y bacterias (cultivables y

no cultivables en el suelo (ug/g suelo) y su proporción.

Técnicas de análisis de la

microbiota del suelo20

• qPCR.- Las regiones conservadas de hongos y bacterias corresponden a

genes ribosomales o regiones espaciadoras entre estos genes (ITS).

Técnicas de análisis de la

microbiota del suelo21

• DGGE.- La electroforesis en gel con gradiente de desnaturalización (DGGE por sus siglas

en inglés) puede ser empleada para analizar poblaciones microbianas basadas en

amplificaciones de fragmentos de genes ribosomales.

Técnicas de análisis de la

microbiota del suelo22

Si cada banda de los geles fuera secuenciada podría asignarse una identidad de

especie a cada una de ellas mediante análisis bioinformático (comparación de

secuencias con bases de datos). Este principio es el que sigue la técnica más

moderna conocida como metagenómica.

Técnicas de análisis de la

microbiota del suelo23

• Metagenómica.- Es una nueva técnica de vanguardia en el ámbito científico que permite

obtener información de los diferentes microorganismos que componen una comunidad,

extrayendo y analizando su ADN de forma global, prescindiendo de su observación y/o

cultivo.

Como se presenta la información metagenómica24

Metagenómica funcional

Relación porcentual de

actividades

Metagenómica taxonómica

Relación porcentual de

poblaciones

Un caso de estudio sobre el

desarrollo de bioestimulantes

para la agriculturaProyecto N° 230862 del Programa de Estímulos a la Innovación

“Composiciones microbianas hechas a la medida

para una agricultura sustentable

Introducción26

México es el segundo productor más grande en la producción de chile

verde (ají) (Capsicum anuum L.) en el mundo (49,000 Ha).

Durante el 2016, se produjeron alrededor de 2.3 millones de toneladas

[SAGARPA 2016].

Como en otros cultivos, algunos bioestimulantes, incluyendo

microorganismos, son empleados con el propósito de mejorar la

eficiencia nutricional, los rendimientos y calidad de los cultivos.

Microorganismos

benéficos

Resultados

inconsistentes

Introducción

Se están desarrollando nuevos productos comerciales los cuales revindican entre

sus atributos el favorecer el crecimiento de la microbiota nativa benéfica en lugar

de inocular productos microbianos [du Jardin (2015). Scientia Horticulturae 196, 3-14].

27

Cuando se usan bioestimulantes microbianos, estos

tienen la capacidad para establecerse en la rizósfera,

siendo lo suficientemente activos y consistentes?

Se puede hacer una analogía con la microbiota intestinal: Se

pueden consumir inoculantes (i.e. ‘probióticos’) pero alimentar a

las bacterias nativas del tracto intestinal con “prebióticos” parece

ser más importante [du Jardin (2015). Scientia Horticulturae 196, 3-14].

o?

Introducción28

Pero que pasa con la microbiota rizosférica y el rendimiento

y calidad de los cultivos si los “amplificadores” de la

microbiota nativa local (prebióticos) y los inoculantes

(probióticos) son puestos juntos en un solo producto?

Consorcio

microbiano

benéfico (SA2)

Extracto botánico

conteniendo compuestos

fenólicos (SA1)

= ?

Introducción29

Extracto botánico conteniendo un

complejo de compuestos fenólicos

(251 ± 17 mg eq. GA/L) (SA1)

“PREBIOTICO”

Actividad de 14C en exudados de raíz

Actividad de la ATPasa en raíz

C = control

f = foliar

l = suelo

CN = control

SL= 50 ppm

SN = 100 ppm

Introducción30

Consorcio microbiano

benéfico conteniendo:

2.17 ± 0.18 109 bacterias/L y

2.84 ± 0.43 108 hongos/L

(SA2)

“PROBIÓTICO”

Penicillium billai (hongo

solubilizador de fósforo)

Penicillium rubens (hongo

solubilizador de fósforo)

Trichoderma harzianum (hongo

mutualista)

Bacillus subtilis (bacteria

promotora de crecimiento)

Azospirillum brasilense (bacteria

promotora de crecimiento)

Como afectan

SA1 y SA2 la

microbiota

rizosférica?

Hipótesis

31

Se puede obtener un efecto simbiótico sobre la

modulación de la microbiota rzosférica de chile (ají)

(capsicum anuum var. chilaca) y el rendimiento y

calidad del cultivo empleando un extracto botánico,

como un prebiótico indirecto para la microbiota local

benéfica, junto con un consorcio microbiano benéfico

como inoculante (probiótico).

Metodología32

Localización y características del suelo(condiciones de campo)

Chihuahua, Chih; 28°42´10´´N; 105°57´42´´O,

1, 415 m, Mayo a Julio, 2016

pH 8.37

Conductividad (salinidad) 0.20 dSm-1

Nitrógeno total 0.49 %

Carbono orgánico 2.25 %

Humedad 16.5 %

Cultivo: Ají (Capsicum anuum L.) var. Chilaca

[Asaff et al (2017). GenomeAnnouncements, 5(30), 1-2].

Metodología33

Diseño experimental

Tratamiento 1 3 5 7 9

Zona 1

Control

(suelo sin

plantas)

Manejo

convencional

Manejo

orgánico

Manejo

convencional

+ SA1

Manejo

convencional

+ SA1 + SA2

Tratamiento 2 4 6 8 10

Zona 2

Control

(suelo sin

plantas)

Manejo

convencional

Manejo

orgánico

Manejo

convencional

+ SA1

Manejo

convencional

+ SA1 + SA2

*Cada tratamiento incluyó 4 bloques, de los cuales se tomaron al azar 5 plantas

durante la floración para hacer una muestra compuesta para posteriores análisis.

**El manejo convencional incluyó fertilización N-P-K mientras que para el manejo

orgánico se emplearon hidrolizados de pescado y ácidos húmicos.

Resultados34

Abundancia relativa de

bacterias a nivel de claseAbundancia relativa de

hongos a nivel de clase

Soil Conv.Conv.

+SA1

Conv.

+SA1

+SA2

Org.

Ab

un

da

nc

e %

Soil Conv.Conv.

+SA1

Conv.

+SA1

+SA2Org.

Ab

un

da

nc

e %

Resultados35

Medias de los índices de la biodiversidad bacteriana de la rizósfera del cultivo de ají (C. anuum. L.)

[1] suelo; [2] cultivo convencional; [3] cultivo convencional + SA1; [4] cultivo convencional + SA1 +

SA2.

*Los valores son el promedio de dos experimentos independientes (4 repeticiones cada una). Las

barras corresponden a la desviación estándar

1 2 2 4 3 6 4Sim

pso

n´s

Do

min

an

ce

In

de

x,

1-D

1 2 2 4 3 6 4

Sh

an

no

n´s

Div

ers

ity

In

de

x,

H

Resultados36

1 2 2 4 3 6 4 1 2 2 4 3 6 4

Sim

pso

n´s

Do

min

an

ce

In

de

x,

1-D

Sh

an

no

n´s

Div

ers

ity

In

de

x,

H

Medias de los índices de la biodiversidad fúngica de la rizósfera del cultivo de ají (C. anuum. L.) [1]

suelo; [2] cultivo convencional; [3] cultivo convencional + SA1; [4] cultivo convencional + SA1 + SA2.

*Los valores son el promedio de dos experimentos independientes (4 repeticiones cada una). Las

barras corresponden a la desviación estándar

Resultados37

Análisis de distancia de Bray-Curtis´ de los microbiomas bacterianos de la rizósfera/rizoplano de ají (C. annuum

L.) para cada tratamiento y experimentos independientes. Rz, rizósfera; Rp, rizoplano; C, cultivo convencional; E,

con SA1; B, con SA1 + SA2; a (círculos rojos), experimento 1; b (círculos azules), experimento 2.

Resultados38

Análisis de distancia de Bray-Curtis´ de los microbiomas fúngicos de la rizósfera/rizoplano de ají (C. annuum L.)

para cada tratamiento y experimentos independientes. Rz, rizósfera; Rp, rizoplano; C, cultivo convencional; E,

con SA1; B, con SA1 + SA2; a (círculos rojos), experimento 1; b (círculos azules), experimento 2.

Resultados39

1 2 2 4 3 6 4

Ba

cte

ria

:fu

ng

ira

tio

1 2 2 4 3 6 4

Hongos Bacterias

Ge

no

me

/g

A) Cuantificación absoluta de hongos y bacterias en la rizósfera de C. anuum. L.; B) Relación de hongos y

bacterias en la rizósfera de C. anuum. L. [1] suelo; [2] cultivo conventional; [3] con SA1; [4] con SA1 + SA2.

*Los valores son el promedio de dos experimentos independientes (4 repeticiones cada una). Las barras

corresponden a la desviación estándar

A B

Resultados40

Efecto de bioestimulantes en el rendimiento y calidad de frutos de C. annuum L. Cultivo convencional (Conv);

más un bioestimulante para la exudación de raíces (Conv + SA1); más un bioestimulante para la exudación de

raíces más un consorcio microbiono o enmienda biológica (Conv + SA1 + SA2); cultivo orgánico(Org).

Conv

+ SA1

Conv

+ SA1

+ SA2

Conv Org Conv

+ SA1

Conv

+ SA1

+ SA2

Conv Org

Kg

/plo

t

Kg

/fru

it

Conclusiones41

Aunque el uso de un bioestimulante para la exudación de raíces modula el microbioma

rizosférico de C. anuum L., únicamente su uso conjunto con un consorcio microbiano

permitió incrementar el rendimiento y calidad del cultivo actuando como un simbiótico.

La aplicación de un bioestimulante para la exudación de raíces (prebiótico indirecto) solo o

conjuntamente con un consorcio microbiano (probiótico), influencia el microbioma

rizosférico de C. annum L., tanto en términos de abundancia, como de biodiversidad.

El microbioma rizosférico de Capsicum annum L., es diferente al del suelo no cultivado. Es rico

particularmente en gama y alfa proteo bacterias y en menor grado en Bacillus y

Actinobacterias, como también en hongos del género Olpidiaster.

Las bacterias Bacillus subtilis y Azospirillum brasilense estuvieron entre las especies minoritarias.

El efecto observado sobre el mayor rendimiento y calidad del cultivo por el uso del

bioestimulante para la exudación de raíces más el consorcio microbiano en la modulación

del microbioma rizosférico es indirecto.

42

Estudios de posgrado en

México

Becas y Posgrados

El Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología, formula y financia programas

de becas y en general de apoyo a la formación de capital humano científico

y tecnológico, en sus diversas modalidades, así como también integra la

información de los programas de becas que ofrezcan otras instituciones

nacionales, organismos internacionales y gobiernos extranjeros, a fin de

optimizar los recursos en esta materia y establece esquemas de coordinación,

en los términos de las convocatorias que para el efecto se emitan.

43

Centros Conacyt44

Requisitos para beca: promedio licenciatura45